理论研究染料敏化太阳能电池

简要介绍了染料敏化太阳能电池工作原理及各部分的构造,着重讨论了如何通过理论计算来评价电池表现,还对电池中各个研究对象进行了分析,最后,对今后的研究方向进行了展望.     

由Keggin型簇和过渡金属配合物构筑的杂多钨酸盐锯齿链的合成和结构

采用水热法合成了一维锯齿链状的有机-无机杂化杂多钨酸盐[Cu（en）2（H2O）]{[Cu（en）2（H2O）][Cu（en）2]（α-SiW12O40）}（OH）2·H2O（记作1;en=1,2-乙二胺）;利用元素分析、红外光谱和X射线单晶衍射对其结构进行了表征.结果表明,化合物1属于三斜晶系,P-1空间群;其晶格参数为：a=1.297 6（6）nm,b=1.473 5（7）nm,c=1.909 9（9）nm,α=86.736（8）°,β=88.833（8）°,γ=74.840（8）°,V=3.519（3）nm3,Z=2.就分子结构而言,化合物1由一个常见的Keggin型多阴离子[α-SiW12O40]4-、两个不同的铜配位阳离子[Cu（en）2（H2O）]2＋和[Cu（en）2]2＋、一个游离的铜配位阳离子[Cu（en）2（H2O）]2＋、两个氢氧根离子和一个结晶水组成;相邻的[α-SiW12O40]4-多阴离子通过两个配位阳离子[Cu（en）2）]2＋相连,形成一维锯齿链状结构.     

由Keggin型簇和过渡金属配合物构筑的杂多钨酸盐锯齿链的合成和结构（英文）

采用水热法合成了一维锯齿链状的有机-无机杂化杂多钨酸盐[Cu(en)2(H2O)]{[Cu(en)2(H2O)][Cu(en)2](α-SiW12O40)}(OH)2·H2O(记作1;en=1,2-乙二胺);利用元素分析、红外光谱和X射线单晶衍射对其结构进行了表征.结果表明,化合物1属于三斜晶系,P-1空间群;其晶格参数为:a=1.297 6(6)nm,b=1.473 5(7)nm,c=1.909 9(9)nm,α=86.736(8)°,β=88.833(8)°,γ=74.840(8)°,V=3.519(3)nm3,Z=2.就分子结构而言,化合物1由一个常见的Keggin型多阴离子[α-SiW12O40]4-、两个不同的铜配位阳离子[Cu(en)2(H2O)]2+和[Cu(en)2]2+、一个游离的铜配位阳离子[Cu(en)2(H2O)]2+、两个氢氧根离子和一个结晶水组成;相邻的[α-SiW12O40]4-多阴离子通过两个配位阳离子[Cu(en)2)]2+相连,形成一维锯齿链状结构.     

一种具有Keggin结构的有机-无机复合的单铈取代夹心型磷钨酸盐的合成及其结构表征(英文)

在水热条件下合成了一种具有Keggin结构的有机-无机复合的单铈取代夹心型磷钨酸盐[H2dap]2.5H5-[Ce(α-PW11O39)2].11.5H2O(1);利用元素分析、红外光谱和单晶X射线衍射表征了其结构.结果表明,化合物1属于三斜晶系,P-1空间群,晶胞参数为:a=1.254 9(7)nm,b=1.915 9(11)nm,c=2.129 0(12)nm,α=68.426(10)°,β=88.320(10)°,γ=89.853(10)°,V=4.758(5)nm3,Z=2,Dc=4.116g/cm3,GOOF=1.022,R1=0.111 2,wR2=0.218 9.化合物1分子由1个晶体学独立单铈取代夹心型[Ce(α-PW11-O39)2]10-磷钨酸多阴离子,2.5个双质子化的[H2dap]2+阳离子,5个质子及11.5个结晶水分子组成.     

染料敏化太阳能电池中二聚噻吩类光敏染料构效关系的理论研究

D-π-A型有机光敏染料结构上的微小差异会引起器件性能的显著不同. 为了合理解释染料分子1和2(给体分别为咔唑和二氢吲哚)结构与性能之间的关系, 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)讨论了包括紫外-可见吸收光谱、 光捕获效率、 电子注入驱动力、 垂直方向偶极矩和电子转移数目在内的一系列影响染料性能的理论参数. 结果表明, 在光捕获效率和电子注入效率差别不大的情况下, 染料分子2较低的染料再生效率可导致其短路电流较小; 同时, 在由光诱导产生的从染料分子转移到半导体的电子数目以及电子复合程度相差不大的情况下, 染料分子1垂直方向上较大的偶极矩则可导致其具有较高的开路电压. 计算结果与实验值相吻合, 有望对今后设计合成高效光敏染料提供一定的理论指导.     

钒取代对α-Keggin型杂多阴离子簇合物氧化性能的影响——DFT理论研究进展

α-Keggin型杂多阴离子（HPA）簇合物[XM12O40]^n-（X=Si,P;M=Mo,W）的氧化还原性能主要取决于构成其外围结构的金属氧笼{M12O36},它就如同一个“仓库”,电子和质子的转移和跃迂主要发生在该笼上．改变金属氧笼M（如进行钒V取代）以及中心杂原子X的组成,可以实现在原子和分子水平上对。α-Keggin型杂多阴离子簇合物的氧化还原性能进行调控的目的．本文结合实验研究,对最近该类杂多阴离子簇合物的金属笼上发生钒取代前后的氧化性能所作的理论研究进行了综述．理论模拟和计算表明,当电负性较小的V取代Keggin金属氧笼上的M后,所形成物种的氧化能力得到了不同程度的增强．首次建立了钒取代的α-Keggin型HPA[PMo12-nVnO40]^（n＋3）-（n=1—3）的微观结构与其基于单个钒的催化氧化能力之间的线性关系．最新理论分析显示,该关系不仅适用于苯的氧化羟基化反应,而且也适用于异丁酸的氧化脱氢,金刚烷的硝化等反应．该构性关系的建立为进一步理解和阐释该类钒取代型的杂多阴离子簇合物参与的均相催化氧化体系奠定了良好的基础,也为催化剂的设计和催化体系的选取提供了线索．     

SnⅡ取代的Keggin型多金属氧酸盐的合成及光催化性能

合成了Sn~(Ⅱ)取代的Keggin型钨磷、钨硅多金属氧酸盐,用IR、电子光谱、~(31)P NMR测试技术对样品进行了表征,表征结果显示,合成化合物为纯的Sn~Ⅱ取代多金属氧酸盐,无Sn~Ⅳ取代物存在,其中Sn~(2 )未进入空穴八面体的中心,其阴离子的对称性介于相应的饱和与缺位结构之间。继而研究了此类化合物对于几种水溶性染料的光催化降解性能。结果表明,所制备的Sn~Ⅱ取代的钨硅多金属氧酸盐具有高的光催化活性,活性高于一般常用的PW_(12)、SiW_(12)化合物。特别是Sn~Ⅱ取代的钨硅多金属氧酸盐,即使在室内自然日光下对甲基橙和亚甲基蓝的光降解也呈现出很高的催化活性,反应7 h,降解率可达90％以上。对光催化机理的研究表明, Sn~Ⅱ取代的钨磷、钨硅多金属氧酸盐发生O→W荷移跃迁所需的能量较小,因此低能量的光照就可激发其HOMO能级上的电子,引发光催化反应,大大提高了光能利用率。     

有机染料D-SS和D-ST用于染料敏化太阳能电池光敏剂的比较

为了揭示D-SS和D-ST分子敏化的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的物理机制,采用密度泛函理论(DFT)、含时密度泛函理论(TDDFT)和自然键轨道(NBO)分析,模拟计算染料D-SS和D-ST分子的结构、紫外-可见吸收光谱和能级结构.D-SS的紫外-可见吸收光谱相比于D-ST的有明显的红移,而且D-SS分子的摩尔吸光系数也高于D-ST分子的.D-SS分子本应该比D-ST分子拥有更高的俘获太阳辐射光子的能力,但由于D-SS分子的最高占据分子轨道(HOMO)能级位置比氧化还原电解质(|-/|-3)的氧化还原能级高,处于光激发态的D-SS分子向TiO2电极注入电子而被氧化后,不能顺利地从电解质中得到电子而还原,使得D-SS分子俘获光子的能力不能充分发挥,从而严重地降低了由其敏化的DSSCs的光电性能和光电能量转换效率.揭示了D-SS敏化的DSSCs的光电性能,特别是光电能量转换效率比D-ST敏化的DSSCs的低的原因.染料敏化剂分子的HOMO能级的位置对于DSSCs来说也是很重要的,用于DSSCs的有机敏化剂分子的HOMO能级的位置必须低于氧化还原电解质的氧化还原能级.     

Theoretical Studies on the Absorption Spectra and Intramolecular Charge Transfer of Push-pull Zinc Porphyrin Dyes for Dye-sensitized Solar Cells

The electronic structures, absorption spectra and intramolecular charge transfer properties of five push-pull zinc porphyrin analogs with different donor group and π bridge have been investigated by density functio- nal theory(DFT) and TD(time-dependent)-DFT approach. The results show that the asymmetrical substituted diphenylamine group is favorable to the Q-band absorption of porphyrin dyes. The absence of the acetylenic bond in the π bridge part leads to the result that the B-band and the Q-band are blue-shifted and their absorption strength become weaker compared with that containing acetylenic bond, respectively. The introduction of the benzothiadiazole into the π bridge improves the intramolecular charge transfer.     

Exploration on Charge Transfer and Absorption Spectra of Spiro[fluorene-9,90-xanthene]-based Polyoxometalate Hybrids Toward High Performance Dye-sensitized Solar Cell

Based on spiro[fluorene-9,90-xanthene](SFX, dye 1), the Lindqvist-type polyoxometalate(POM) functionalized with SFX and its derivatives(dyes 2-4) used in dye-sensitized solar cells(DSSCs) were designed and investigated with the density functional theory(DFT) and time-dependent DFT(TD-DFT) calculations. The results indicate that Lindqvist-type POM is the main contribution to the lowest unoccupied molecular orbital(LUMO) and affects the LUMO energies of dyes 2-4. The maximum absorptions of the designed dyes containing POM(dyes 2-4) are red shifted comparing with that of dye 1. The introduction of electron-donating group onto SFX segment is helpful to red shift the absorption spectra. The major factors affecting the performance of DSSCs, including light harvesting and electron injection were evaluated. Considering the absorption spectra and photovoltaic parameters, dyes 3 and 4 are promising high performance dye sensitizers in n-type DSSCs.     

3,9-咔唑聚合物基态和激发态性质的理论研究

用密度泛函B3LYP方法对3,9-咔唑低聚物[(3,9-carbazole)n(n=1,2,3,4,6,8)]体系进行了全优化, 计算得到电离能、电子亲合势、空穴抽取能及电子抽取能等相关能量, 用ZINDO和TD-DFT方法计算得到吸收光谱; 分析了各种能量的变化及光谱规律. 用外推法由低聚物分子的各种性质与聚合度n相联系得到高聚物的性质, 将所得结果与2,7-咔唑(2,7-carbazole)及类似聚合物进行了比较分析. 结果表明, 3,9位聚合的咔唑整体共轭程度降低, 光谱蓝移, 其IP值和聚芴相近, 可以作为空穴接受材料应用于多层电子荧光器件的空穴传输层. 用CIS方法进行优化得到部分分子的S1激发态结构, 用ZINDO和TD-DFT方法得到对应的发射光谱.     

硅杂环戊二烯衍生物电子结构与光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G*方法, 对2,5位取代的硅杂环戊二烯(Silole)系列衍生物进行几何结构优化, 通过计算得到电离能、电子亲和势、空穴抽取能及电子抽取能等相关能量, 并使用TD-DFT方法研究其吸收光谱, 分析相关能量及光谱的变化规律. 采用单组态相互作用(CIS/6-31G*)方法优化得到它们的最低单重激发态(S1)结构, 在此基础上, 使用TD-DFT方法计算对应的发射光谱. 分析2,5位芳基取代硅杂环戊二烯衍生物(DADPS)激发态与基态的结构差异及原因, 研究前线分子轨道的分布情况, 并讨论发光特征及载流子传输性能. 研究结果表明, 激发态结构弛豫主要发生在Silole环和直接与2,5位芳基相连的部位; 前线轨道主要分布在Silole环和2,5位芳基上; 二吡咯取代物有望成为空穴传输材料, 二噻吩取代物和二呋喃取代物有望在发光器件中表现出较高的发光效率.     

Optical Properties of Dye Based on Hydroxamate Improved with Designed Tridentate Ligands for Dye Sensitized Solar Cell: a Theoretical Study

A density function theory(DFT) study was made on three dyes based on hydroxamate with different ligands[terpyridine, isothiocyanate(NCS) and 2,2'-bis(thienyl)-tripyrrinate(2-BTTP)] to investigtate their device performance optimization in dye sensitized solar cell(DSSC). Based on the adsorbed dye on TiO₂ (101) surface, the ground state geometry structures, electronic structures, absorption spectra and correspongding charge transfer properties were analysed in detail. The results indicate that the ligand replacement of terpyridine by NCS and 2-BTTP improves the low-energy region absorption of hydroxamate based dyes significantly. The electron injection and light harvesting capability of hydroxamate based dyes are enhanced by NCS and 2-BTTP ligands as well. In the visible region, hydroxamate based dyes have the potentials to become panchromatic light absorbers according to our research.     

含苯并噻二唑的吩噻嗪染料分子的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

设计合成了三种含苯并噻二唑的吩噻嗪类有机染料光敏剂JY50~JY52,在对其光物理和电化学性质进行研究的基础上,使用三种染料对纳米TiO₂电极进行敏化制备太阳能电池器件,并系统研究了其光电转化效率及电荷传输阻抗等光伏特性.研究结果表明,在染料分子中引入共轭基团有助于其摩尔吸光系数的提升,从而提升光电流.两个长烷基链的引入能够有效地抑制染料分子激发态电子在TiO₂光阳极表面的电子复合,从而提升其电子注入效率.其中,在AM 1.5（100 mW·cm^-2）的模拟光强下,基于碘电解质的染料JY51电池器件获得了7.61%的光电转化效率.     

3,6-和2,7-咔唑衍生物单光子和双光子吸收性质的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法以及ZINDO/SDCI方法计算3,6-和2,7-咔唑衍生物的分子平衡几何结构、电子结构及单光子和双光子吸收性质.乙烯基吡啶取代基的位置影响分子的单光子和双光子吸收性质.与3,6-咔唑衍生物相比,2,7-咔唑衍生物的单光子吸收波长红移,振子强度增大;双光子吸收波长红移,双光子吸收截面增加.结果表明,2,7-咔唑衍生物是更好的双光子吸收材料.     

二氢吲哚类染料用于染料敏化太阳能电池光敏剂的比较

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对四种二氢吲哚染料进行研究, 从中筛选出相对优秀的染料敏化太阳能电池光敏剂. 对前线分子轨道的计算表明, 二氢吲哚染料的前线分子轨道结构非常有利于染料激发态向TiO2电极的电子注入. 对真空中的紫外和可见光吸收光谱的计算表明, 二氢吲哚染料的吸收光谱与太阳辐射光谱匹配较好. 对染料分子的能级计算表明, 二氢吲哚染料的能级结构比较适合于I-/I-3作电解液的TiO2纳米晶太阳能电池的光敏剂. 二氢吲哚染料最低未占据分子轨道(LUMO) 能级均比TiO2晶体导带边能级高, 能够保证激发态染料分子高效地向TiO2电极转移电子. 二氢吲哚染料最高占据分子轨道(HOMO)的能级比I-/I-3能级低, 保证了失去电子的染料分子能够顺利地从电解液中得到电子. 与实验数据比较, 得出在提高染料敏化太阳能电池转换效率方面, 对染料的关键要求是LUMO能级的位置. 染料分子的稳定性是染料敏化太阳能电池使用寿命的关键因素. 通过对化学键键长的比较表明, 二氢吲哚染料的分子稳定性基本相同. 对计算结果的分析表明, 二氢吲哚染料1(ID1)的LUMO能级最高, 分子稳定性最好, 在酒精溶液中的吸收光谱与太阳辐射光谱匹配很好, 在同类染料中是较好的染料敏化太阳能电池光敏剂.