纯有机染料共敏化纳米晶太阳能电池的性能研究

采用曙红与香豆素混合的方法,配制成敏化剂修饰纳米晶薄膜.实验结果证明,这种共敏化的方法可以在可见光范围内有效提高电池的吸光度,使得电池的性能比单独使用曙红敏化有了大幅度提高.在模拟太阳光下,曙红与香豆素共敏化的电池的开路电压达到了532 mV,短路电流达到了0.1125 mA/cm2.     

多吡啶钌染料和有机染料共染色的钴基敏化太阳电池

具有低费米能级的外球电子媒介体的开发带来了染料敏化太阳电池性能的重大进展.针对这种快复合器件,通过精细的调控二氧化钛表面的染料包覆层结构来有效抑制界面电荷复合是目前该领域的一个重要研究主题.在本文中,利用高吸收系数的多吡啶钌染料与具有三维立体结构的有机给受体染料对二氧化钛薄膜进行共染色.基于邻菲罗啉钴氧化还原电对,相对于纯钌基染料染色的器件,瞬态吸收与瞬态光电压衰减测试表明具有三维立体结构的有机染料的引入不仅提高了电子注入效率,还同时减慢了二氧化钛中的电子与氧化态染料及电解质中的电子受体之间的复合反应速率,使器件开路电压从808 mV提升到883 mV.这种界面光活性层微结构变化诱导的电子注入效率的改善和电荷复合的减慢还过补偿了因薄膜光吸收减弱带来的不利影响,获得了更大的光电流输出,在模拟AM1.5太阳光辐照条件下器件功率转换效率从8.5%提升到10.3%.     

有机染料敏化太阳电池中激发态弛豫和电子注入的超快光谱研究

为了实现窄能隙有机光敏剂的理性设计,有必要全面理解发生在二氧化钛/染料/电解质复杂界面的激发态演化动力学。本文通过构建分别以苯并噻二唑-苯甲酸(BTBA)和吡啶并噻二唑-苯甲酸(PTBA)为电子受体的有机给受体染料,借助超快瞬态吸收光谱测量与理论模拟,我们发现在实际的二氧化钛/染料/电解质界面存在激发态多步弛豫与多态电子注入的过程。密度泛函理论及含时密度泛函理论计算表明,二氧化钛表面的光激发产生的"热"激发态染料分子会通过分子片段间的扭转运动发生显著的多步结构弛豫,最终形成共轭骨架具有醌式结构、更加平面化的平衡构型。通过对飞秒瞬态吸收光谱进行目标分析,我们发现相对于以苯并噻二唑-苯甲酸为电子受体的染料,以吡啶并噻二唑-苯甲酸为电子受体的染料呈现出较慢的电子注入速率与较短的激发态寿命,导致总的电子注入产率较低,给出了基于该染料所制备的太阳电池的外量子产率峰值低的原因。     

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.     

星际炔氰分子电子结构和分子振动的理论研究

用MINDO/3法计算了星际炔氰分子(HC_2nCN,n=0,1,…,5)的电子结构和振动频率;得出了炔氰分子的HOMO、LUMO、电子总能量E_T与n之间的线性关系。炔氰分子n愈大,HOMO愈高,LUMO愈低,体系愈不稳定。由计算的振动频率和对振动模式的分析可知,在炔氰分子中(HCN除外),应有频率约为3820cm^-1的H-C伸缩振动和800cm^-1的H-C-C弯曲振动这样的特征振动。     

不同受体结构染料共敏化对染料敏化太阳电池性能的影响

为了拓宽染料敏化太阳电池对太阳光谱的响应范围,提高电池的光电转换效率,将两种含有不同受体结构（绕丹宁-3-乙酸基（RA）和氰基丙烯酸基（CA））的三苯胺染料（TR1和TC1）进行共敏化。TR1染料平伏吸附在TiO₂表面,而TC1染料直立吸附在TiO₂表面。将两种染料按照不同摩尔比共敏化TiO₂后,TC1占据TR1的部分位置,拓展光谱的同时也抑制了电荷复合,电子寿命较TR1敏化的太阳电池长。在TR1与TC1摩尔比为5：5的共敏剂溶液敏化的共敏电池器件中,短路光电流密度（J_sc）为11.7 mA/cm²,开路电压（V_oc）为704 mV,填充因子（FF）为0.73,光电转换效率（η）为6.03%。该结果明显优于单一染料敏化的电池器件。     

CdSe的电子结构和光学性质研究

CdSe是Ⅱ-Ⅵ族半导体材料中一种重要的半导体材料,它有闪锌矿和纤锌矿两种不同的结构,带隙较窄,具有优良的电光特性和广泛的应用前景,得到了人们的广泛关注[1-3].     

有机染料敏化太阳电池中激发态弛豫和电子注入的超快光谱研究（英文）

为了实现窄能隙有机光敏剂的理性设计,有必要全面理解发生在二氧化钛/染料/电解质复杂界面的激发态演化动力学。本文通过构建分别以苯并噻二唑-苯甲酸(BTBA)和吡啶并噻二唑-苯甲酸(PTBA)为电子受体的有机给受体染料,借助超快瞬态吸收光谱测量与理论模拟,我们发现在实际的二氧化钛/染料/电解质界面存在激发态多步弛豫与多态电子注入的过程。密度泛函理论及含时密度泛函理论计算表明,二氧化钛表面的光激发产生的"热"激发态染料分子会通过分子片段间的扭转运动发生显著的多步结构弛豫,最终形成共轭骨架具有醌式结构、更加平面化的平衡构型。通过对飞秒瞬态吸收光谱进行目标分析,我们发现相对于以苯并噻二唑-苯甲酸为电子受体的染料,以吡啶并噻二唑-苯甲酸为电子受体的染料呈现出较慢的电子注入速率与较短的激发态寿命,导致总的电子注入产率较低,给出了基于该染料所制备的太阳电池的外量子产率峰值低的原因。     

褐煤分子片段结构电子吸收光谱的理论研究

应用不同密度泛函计算了几种代表性化合物和褐煤分子片段结构的电子吸收光谱性质,考察了结构修饰与杂环原子对电子光谱性质的影响.计算结果表明,杂化泛函B3LYP和HSEH1PBE较适合这类体系电子吸收光谱的计算,预测的吸收光谱主要出现在近紫外区,随着共轭环的增加,λmax吸收移向可见光区.当共轭支链基团通过C≡C键和分子片段模型连接时,在可见光区(460~480 nm)有非常强的吸收.杂环原子的存在及其在五元环中的位置对电子吸收光谱有显著影响,处在相对对称的位置时,前线轨道的共轭程度较高,导致λmax吸收出现较显著的红移,预测的这些分子片段光谱性质有助于理解褐煤的光响应性质.     

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.     

应用于染料敏化太阳能电池的基于染料R6的含有不同吸电子基团的有机染料的理论研究

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are the most promising alternatives to traditional fossil energy because of their advantages of low production cost, facile structure, relatively low environmental impact, relatively high photoelectronic absorption efficiency, and overall high efficiency. In addition, several studies on sensitizers as vital components have been conducted over the last three decades. Compared to metal dyes, metal-free organic dyes have been considered as promising candidates because of their simple fabrication, multiple structures, high molar absorption coefficients, easily tunable properties, and environmental friendliness. In this study, we systematically investigated the optoelectronic properties of six metal-free organic donor-acceptor dyes (RD1–6) derived from the known dye R6 by using the density functional theory (DFT) and time-dependent DFT methods. Cell performance parameters were discussed, including the geometrical and electronic structures, absorption spectrum, adsorption energy, light harvesting efficiency (LHE) curve, predictive short circuit current density (J_sc^Pred.), predictive open circuit voltage (V_oc^Pred.), and theoretical power conversion efficiency (PCE). Results revealed that all the designed dyes exhibited high theoretical PCE. In particular, dyes RD1, 2, and 4–6 showed greater conjugations, and dyes RD1–3 had smaller energy gaps than those of the reference dye. In addition, dyes RD1–3, 5, and 6 exhibited better light harvesting capacities that covered the entire visible region and extended to the near-infrared region with obviously red-shift maximum absorption wavelengths (λ_max), wider LHE curves, and higher J_sc^Pred. as compared to the reference dye. It was critical that dyes RD1 and 2 not only have greater conjugations and narrow band gaps but also good light harvesting capacities with more than 56-nm red-shift maximum absorption wavelengths and broadened LHE curves than those of the reference dye. Notably, mainly because of an average increment of 12.0% of J_sc^Pred., a remarkable increment of the theoretical power conversion efficiency was observed from 12.6% for dye R6 to 14.1% for dyes RD1 and 2. Thus, dyes RD1 and 2 exhibited superior cell performances and could be promising sensitizer candidates for highly efficient DSSCs. These results could be used to guide effective synthetic efforts in the discovery of efficient metal-free organic dye sensitizers in DSSCs.     

不同受体结构染料共敏化对染料敏化太阳电池性能的影响（英文）

为了拓宽染料敏化太阳电池对太阳光谱的响应范围,提高电池的光电转换效率,将两种含有不同受体结构(绕丹宁-3-乙酸基(RA)和氰基丙烯酸基(CA))的三苯胺染料(TR1和TC1)进行共敏化。TR1染料平伏吸附在TiO_2表面,而TC1染料直立吸附在TiO_2表面。将两种染料按照不同摩尔比共敏化TiO_2后,TC1占据TR1的部分位置,拓展光谱的同时也抑制了电荷复合,电子寿命较TR1敏化的太阳电池长。在TR1与TC1摩尔比为5∶5的共敏剂溶液敏化的共敏电池器件中,短路光电流密度(J_(sc))为11.7 mA/cm~2,开路电压(V_(oc))为704 mV,填充因子(FF)为0.73,光电转换效率(η)为6.03%。该结果明显优于单一染料敏化的电池器件。     

卟啉化合物在有机染料敏化太阳能电池中的应用研究

卟啉化合物具有共轭的平面结构、良好的电子缓冲性和光电磁性,特别在可见光区和近红外区域具有优越的光捕获特性。近年来,卟啉类化合物以其优异的特性在有机太阳能电池领域,尤其是染料敏化太阳能电池中得到了广泛的应用研究。人们通过对卟啉分子进行改性来提高相应的太阳能电池效率,比如增加分子的共轭度、在分子上引入长烷基链、引入功能化小...     

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.     

N-取代吩噻嗪衍生物分子的结构和二阶非线性光学性质的理论研究

在ZINDO方法基础上, 按完全态求和(SOS)公式, 编制了计算分子二阶非线性光学系数βijk的程序。研究了各种取代基在吩噻嗪的氮上取代后衍生物的结构和二阶非线性光学系数。结论是N上取代推电子基对增大二阶光学非线性有利, N上取代吸电子基对增大二阶光学非线性不利。扩大共轭范围对增大二阶光学非线性有利。对上述结果在微观上给予了解释。     

氨基酸修饰的手性多酸的电子结构和光学活性的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了L-O₂CCHCH₃NH₃(L-Alanine)修饰的手性多酸[Se^ⅣMo₆O₂₁(L-alanine)₃]^2-, [Sb^ⅢMo₆O₂₁(L-alanine)₃]^3-及[Bi^ⅢMo₆O₂₁(L-alanine)₃]^3-的几何结构、电子结构以及紫外-可见(UV-Vis)谱和电子圆二色(ECD)谱.通过对电荷转移跃迁性质的分析, 探讨了多酸中杂原子对手性光学性质的影响.结果表明, 杂原子(Se, Sb, Bi)对多酸的几何结构影响较大, 且对该类体系的UV-Vis谱的吸收峰的强度和峰形都有显著的影响.其ECD谱的转动吸收方向和强度以及吸收峰位和峰形也因杂原子的不同而发生明显变化.低能区UV-Vis谱和ECD谱的产生主要源自多酸中氧原子的p轨道到Mo原子d轨道的电荷转移跃迁, 而对于高能区的UV-Vis谱和ECD谱的产生, 则主要为多酸中杂原子以及与杂原子直接相连的氧原子p轨道到Mo原子d轨道的电荷转移跃迁.     

HC4N分子电子结构和势能面的理论研究

本文采用高精度的从头算方法计算了星际分子HC4N的电子结构和势能面。使用MP2/cc-pVTZ方法进行构象优化,共获得23个稳定单重态构型和21个过渡态。其中稳定结构包含线性构型,氢支链构型,以及含三元环,四元环和五元环的构型。进一步的精确单点能量计算在CCSD(T)/cc-pVTZ方法下进行,并采用G3(MP2)方法对比。通过结果分析得到HC4N单重态的5个热力学和动力学都比较稳定的的构型,分别为3个三元环结构R31,R32,R35,一个链状构型C1和一个氢支链构型B1。     

BaTiO3的电子结构和光学性质

采用第一性原理赝势平面波方法, 在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下分别计算了BaTiO3立方相和四方相的电子结构, 并在局域密度近似下计算了BaTiO3立方相的光学性质. 结果表明, BaTiO3立方相和四方相都为间接带隙, 方向分别为Γ-M和Γ-X, 大小分别为2.02和2.20 eV. 对BaTiO3和PbTiO3铁电相短键上电子布居数的对比分析, 给出了它们铁电性大小的差别. 且在30 eV的能量范围内研究了BaTiO3 的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数、反射系数和能量损失系数等光学性质,并基于电子能带结构对光学性质进行了解释. 计算结果与实验数据相符合.     

应用于染料敏化太阳能电池的基于染料R6的含有不同吸电子基团的有机染料的理论研究（英文）

染料敏化太阳能电池(DSSCs)因具有低成本、制作简单、环境友好、效率高等优点,是目前最有希望代替传统化石能源的可再生能源。敏化剂作为DSSCs中最重要的组成部分之一,已经被研究了近30年。与金属染料相比,有机染料具有结构多样性,高摩尔吸光系数、性质易调控、环境友好等优点,成为比较有潜力的敏化剂。我们采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)和含时密度泛函方法(time-dependent DFT,TD-DFT)研究了6个基于染料R6的D-A型有机染料的光电性质。并且系统的研究了DSSCs性能的相关参数包括几何结构、电子结构、吸收光谱、吸附能力、光捕获曲线(LHE)、理论短路电流密度(J_(sc)~(Pred.))、理论开路电压(V_(oc)~(Pred.))以及理论光电转换效率(PCE)。表明所有设计的染料都具有较高的PCE。其中染料RD1、2、4–6具有较好的共轭性,RD1–3表现出了较窄的带隙。染料RD1–3、5、6具有更强的光捕获能力,因为它们的吸收光谱覆盖了整个可见光区域,并扩展到近红外区,其最大吸光波长红移了,光捕获曲线拓宽了,理论短路电流也提高了。尤其突出的是染料RD1、2不仅表现出了更好的共轭性和更窄的带隙,还具有更好的光捕获能力。与染料R6相比,染料RD1、2的最大吸收波长红移了54 nm,其光捕获曲线(LHE)也拓宽了。值得一提的是,相比较于染料R6,染料RD1、2的短路电流密度平均提升了12%,使得染料的光电转换效率从染料R6的12.6%提升到了染料RD1、2的14.1%。因而,我们认为染料RD1、2有望成为染料敏化太阳能电池领域中潜在的高效纯有机染料候选物。我们的研究将为DSSCs有机染料的发现提供有效指导。     

足球分子的电子结构和UV谱的研究

用INDO/2和INDO/CI方法研究了足球分子的电子结构和UV谱。几何构型优化后得到2种键长:R_(5-6)=1.4507,R_(6-6)=1.3979,相应的键序为1.1356和1.4385。SCF计算得到120个成键轨道和120个反键轨道,符合我们建议的结构规则。足球分子的光谱计算结果是振子强度不为零的跃迁只有一个,其值为386.0 nm,和实测的UV谱符合得较好。