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.     

用于染料敏化太阳能电池的D5同类物分子设计(英文)

使用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)以及自然键轨道(NBO)分析,设计比有机染料D5更优秀的用于染料敏化太阳能电池(DSSC)的D5同类物分子.在D5骨架的给电子基团上对称地引入给电子基(—OH,—NH2,—OCH3),既可以使分子的最低未占据分子轨道(LUMO)能级提高,又可以使吸收光谱红移,从而既提高染料分子捕获太阳辐射光子的能力,又提高由染料分子的激发态向TiO2电极注入电子的驱动力.在D5分子的骨架上,对称地引入受电子基(—CF3,—F,—CN),可以使染料分子的吸收光谱强烈地红移,从而更有效地利用太阳能.由LUMO能级的提高和吸收光谱的红移来考虑,所设计的D516,D536,D537分子是比D5优秀的同类物分子,其中D516是最好的.单从吸收光谱红移来考虑,所设计的D565,D567,D568分子是比D5优秀的同类物分子,其中D565的吸收光谱有望与太阳辐射光谱更好地匹配.挑选出来的这6种D5同类物分子都是D-π-A(电子给体-共轭π桥-电子受体)结构.这几种分子的光激发引起的最高占据分子轨道(HOMOs)到LUMOs的跃迁是π-π*跃迁,是分子内电荷转移,吸收光谱是电子吸收光谱,位于近紫外-可见光区.D516和D565有望成为比D5更优秀的用于DSSC的非金属有机染料分子.     

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.     

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.     

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响,以咔唑染料Dye 1 为原型,引入TTF基团作为电子给体,设计了咔唑染料Dye 2. 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO₂)₉后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱,采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌. 结果发现：在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移;最为重要的是,TTF 基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力. 所有的计算结果表明,TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.     

给电子基团对吲哚染料电子结构和吸收光谱的影响

利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT), 分别基于B3LYP和PBE1PBE方法研究了一系列含有不同给电子基团的吲哚染料分子(ID1-ID3)的电子结构和吸收光谱性质. 重点比较了不同电子给体对染料的分子结构、吸收光谱以及其在电池中的光伏性能的影响. 结果表明从ID1、ID2到ID3, 随着电子给体中苯环数目的增加, 吲哚分子上的共轭效应逐渐增大, 导致吲哚分子最高占据分子轨道-最低未占据分子轨道(HOMO-LUMO)之间的能隙变窄, 分子的吸收光谱发生红移. 染料分子的吸收光谱和LUMO能级分别影响染料的吸光效率和光电转化过程中电子的注入过程, 从而使其二者成为决定电池光伏性能的重要参数. 综合考虑上述两个参数对电池性能的贡献, 通过理论研究证实, 在ID1-ID3系列染料中, ID3具有较长的吸收谱带、较大的分子消光系数和合适的LUMO能级, 从而表现出最为优越的光伏性能, 这与实验得出的结论很好地吻合.     

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究(英文)

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响,以咔唑染料Dye 1为原型,引入TTF基团作为电子给体,设计了咔唑染料Dye 2.采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO2)9后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱,采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌.结果发现:在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移;最为重要的是,TTF基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力.所有的计算结果表明,TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.     

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.     

染料敏化太阳能电池中额外给体引入对经典D-π-A型敏化剂性能影响的理论研究

为了探讨D-D-π-A型染料中双给体对敏化剂性能的影响, 本文结合密度泛函理论(DFT)及含时密度泛函理论(TD-DFT)对染料1~4的几何结构、 电子结构、 吸收光谱、 电化学性质、 电子复合程度以及半导体导带边缘的移动等进行了对比研究. 结果表明, 相比于经典的D-π-A型染料分子1, 在分子2~4(D-D-π-A型双给体染料) 中额外引入给体, 尽管对导带能级移动的改变不是很显著, 但是可以改变体系的共轭程度, 增加染料的光吸收强度. 重要的是, 额外给体的引入可以显著增加染料阳离子空穴-半导体之间的距离, 从而减缓注入电子与染料阳离子的复合; 在额外给体中引入杂原子可以使I₂聚集在染料外侧, 从而降低电解质在半导体表面的局域浓度, 进而减缓注入电子与电解质之间的复合速率. 因此, 通过在经典的D-π-A型染料上引入额外的电子给体构筑D-D-π-A型染料可以有效调节染料的光吸收、 电化学及电子复合等方面的性质, 是设计合成高性能染料的可行策略.     

4-甲基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚的合成

以2-乙基吡啶生成的叶立德为原料,采用1,3-偶极环加成反应,得到了一系列3-乙酰基(或苯甲酰基)-5-乙基中氮茚衍生物,后者与KOH在加热条件下发生分子内缩合,得到了一系列4-甲基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚.     

Optical and Electrical Properties of Triphenylamine Derivatives for Dye-sensitized Solar Cells and Designing of Novel Molecule

With density functional theory(DFT) method, the optimization of molecular configurations and the calculation of frontier molecular orbitals were achieved for triphenylamine(TPA)-based dye-sensitized solar cell materials at the B3LYP/6-31G(d, p) level. Time-dependent density functional theory(TD-DFT) was applied to calculating the probability of the transition from the ground state to the excited state. And UV-Vis absorption spectra were derived with Franck-Condon approximation. The conjugation length, substitution groups and spatial effects show a slight influence on the dihedral angle of the TPA group. The increase of conjugation length may cause a smaller energy gap as well as a higher highest occupied molecular orbital(HOMO) and a lower lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). The introduction of methoxyl group and TPA group could lower the energy gap while the HOMO and LUMO were elevated in energy.     

染料敏化太阳能电池中染料分子共轭π桥的扩展

以染料分子D5为原型, 采用不同类型和数量的共轭桥单元来设计D-π-A 型有机分子. 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)来模拟计算分子的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见光谱, 为染料敏化太阳能电池(DSSCs)的敏化分子寻找适合的共轭桥. 采用“次甲基链”、“呋喃环”或“噻吩环”、“次甲基链和呋喃环”或“次甲基链和噻吩环”作为共轭桥单元, 使得分子的吸收光谱依次红移. 随着共轭桥单元的增加, 分子的吸收光谱有剧烈的红移, 但随着共轭桥单元数量的进一步增加, 分子吸收光谱的红移现象减弱. 分子的最低未占据分子轨道(LUMO)能级逐渐降低, 而最高占据分子轨道(HOMO)能级逐渐升高. 采用3个“次甲基链和呋喃环”或者“次甲基链和噻吩环”作为共轭桥时, HOMO能级已经高于氧化还原电解质的能级, 而在极性溶液中, 由2个“次甲基链和噻吩环”单元作为有机分子的共轭桥时, 分子的HOMO能级已经高于氧化还原电解质的能级了. 采用“次甲基链和呋喃环”或“次甲基链和噻吩环”单元作为有机分子的共轭桥时, 吸收光谱有明显的红移,但对于DSSCs的敏化分子, 这样的共轭桥单元只能有1-2个, 不宜过多.     

新型四硫富瓦烯-三苯胺类光敏染料理论研究

在简单结构的D-π-A三苯胺光敏染料(YD1)中引入不同数量的四硫富瓦烯(TTF)单元作为次级电子给体以增强有机光敏染料的给电子能力,设计了两个结构分别为D-D-π-A (YD2)以及2D-D-π-A (YD3)的光敏染料分子,并且采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别模拟计算了纯光敏剂分子及其吸附二氧化钛团簇后的几何构型、电子结构以及光物理性能。采用周期性密度泛函理论模拟计算光敏染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌以及态密度(DOS)。计算结果表明,TTF单元的引入不仅可以有效减少光敏染料分子的团聚,还可以提升其吸收性能。此外,光吸收效率(LHE)、电子注入驱动力(ΔG^inject)以及DOS的计算结果显示,YD2和YD3理论上可以呈现出比YD1更高的短路电流密度(J_sc)以及开路电压(V_oc)。因此,通过本文的理论研究表明,TTF单元可以作为有机光敏染料中的次级电子给体来改善光敏染料的性能。     

A Combined Experimental and Computational Study of Chrysanthemin as a Pigment for Dye-Sensitized Solar Cells

The theoretical study of chrysanthemin (cyanidin 3-glucoside) as a pigment for TiO₂-based dye-sensitized solar cells (DSSCs) was performed with the GAUSSSIAN 09 simulation. The electronic spectra of neutral and anionic chrysanthemin molecules were calculated by density functional theory with B3LYP functional and DGDZVP basis set. A better energy level alignment was found for partially deprotonated molecules of chrysanthemin, with the excited photoelectron having enough energy in order to be transferred to the conduction band of TiO₂ semiconductor in DSSCs. In addition, we used the raw aqueous extracts of roselle (Hibiscus sabdariffa) calyces as the source of chrysanthemin and the extracts with various pH values were tested in DSSCs. The extracts and photosensitized semiconductor layers were characterized by UV-Vis spectroscopy, and DSSCs based on raw extracts were characterized by current density-voltage measurements.     

染料敏化太阳能电池用琼脂糖基磁性聚合物电解质的电化学性能

以琼脂糖为聚合物基质,N-甲基吡咯烷酮为溶剂,磁性纳米粒子四氧化三铁为无机纳米颗粒添加剂制备了用于染料敏化太阳能电池(DSSC)的磁性聚合物电解质.通过研究不同小分子表面活性剂,聚乙二醇(PEG200)、曲拉通(TritonX-100)、乙酰丙酮和三者混合的表面活性剂对掺杂有1%(w)Fe3O4的磁性聚合物电解质离子电导率的影响,发现PEG200的加入可有效提高琼脂糖基磁性聚合物电解质的离子电导率.同时,对不同PEG200浓度添加下的电解质进行离子电导率测试研究发现:当PEG200加入量为61.8%(w)时,电解质具有最佳的离子电导率(2.88×10-3S·cm-1);对染料敏化太阳能电池进行电化学交流阻抗谱(EIS)测试的结果表明:染料敏化太阳能电池的电子寿命和复合电阻随着PEG200浓度的增加是先增大后减小,最大的电子寿命和复合电阻出现在PEG200浓度为68.3%(w)处.     

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.