高性能D-π-A型三芳胺类光敏染料的理论设计和表征

基于密度泛函理论(DFT)以及含时密度泛函理论(TDDFT)计算,系统研究了具有不同π桥(环戊联噻吩T和二萘嵌苯P)和受体(氰基丙烯酸CA、苯并噻二唑-苯甲酸BTBA和乙炔基苯并噻二唑-苯甲酸EBTBA)的6个D-π-A芳胺类染料分子的几何和电子结构、吸收光谱、电子注入寿命、染料吸附后导带能级的移动以及电子复合速率等性质.计算结果表明,除TPA-P-BTBA分子外,其余分子均展现出可以与TPA-T-CA(C218)相媲美甚至超越的光捕获能力;所有染料的电子注入寿命均在飞秒(fs)尺度上,展现出超快的电子注入速率;染料吸附之后所引起的TiO_2半导体导带能级移动均为0.25 eV左右,有利于开路电压(V_OC)的提高.重要的是,对于电子复合速率,TPA-T-CA约是TPA-T-EBTBA和TPA-P-EBTBA的44倍,是TPA-T-BTBA的11倍,因此推测,TPA-P-EBTBA、TPA-T-EBTBA以及TPA-T-BTBA将具有更高的短路电流、开路电压和效率,将成为染料敏化太阳能电池(DSSC)领域中具有很大潜力的优秀光敏剂替代者     

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.     

苯并噻二唑类有机太阳能电池材料研究进展

苯并噻二唑结构单元被广泛用来构建高光电转换效率的有机太阳能电池材料.从聚合物太阳能电池、有机小分子太阳能电池以及染料敏化太阳能电池三个方面系统地综述了近年来含苯并噻二唑基团的有机太阳能电池材料的研究进展,并对其发展趋势和应用前景做了展望.     

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。     

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。     

萘酰亚胺-卟啉星型电子受体分子的构筑及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

非富勒烯太阳能电池目前已经成为有机太阳能电池的研究热点,大量的共轭电子受体分子被开发,并成功应用到高性能光伏器件中。共轭分子作为非富勒烯电子受体,需要综合考虑吸收、能级、电子传输以及结晶性等,其中宽吸收光谱可以提高对太阳光谱的利用,是分子设计中重要因素之一。本工作中,我们设计一种新型电子受体分子,以卟啉为核、萘酰亚胺为端基以及炔为桥连基团。这种新型分子具有近红外的吸收光谱以及合适的能级。将一种具有吸收互补的共轭聚合物为电子给体,星型分子为电子受体应用到电池的活性层中,我们获得了1.8%的能量转换效率,电池的光谱响应为300–900 nm。实验结果证明了这种以卟啉为核的分子设计在实现近红外吸收的电子受体方面具有重要应用前景。     

含苯并噻二唑的二维有机染料的合成与光伏性能研究

通过引入烷基二噻吩苯并噻二唑窄带隙基元到D-π-A有机染料体系中,设计并合成了两种二维结构的有机染料DD2和DH2,系统地研究了以烷基二噻吩苯并噻二唑基元作为侧基或桥联基元对染料敏化剂的光物理性能、电化学性能和光伏性能的影响.含有烷基二噻吩苯并噻二唑基元的这两种染料都具有较宽的吸收光谱.在氙灯光源(100mW?cm-2,AM 1.5 G)下,基于有机染料DH2和DD2的染料敏化太阳能电池的能量转换效率分别为1.67%和3.26%.采用鹅去氧胆酸(CDCA)共吸附剂优化后,染料DH2表现出较好的抗聚集能力,能量转换效率几乎没有变化;而DD2的能量转换效率提高到了5.53%.     

基于宽带隙小分子给体第三组分的三元有机光伏器件

三元策略是提升器件光电转换效率的重要途径.本文设计合成了基于苯并噻二唑并二噻吩桥联基团的宽带隙小分子给体DRDTBT,并将其作为有机太阳能电池中的第三组分.通过引入具有缺电子性质的苯并噻二唑并二噻吩单元,使DRDTBT获得了较低的最高占有轨道能级以及高的结晶性,将其作为第三组分引入基于PM6∶BTP-eC9的器件中时有效提升了器件的开路电压,活性层形貌也得到了更好的调节.得益于提升的开路电压和填充因子,三元器件取得了优于二元器件的光电转换效率,其开路电压为0.86 V,短路电流密度为26.99 mA/cm²,填充因子为76.34%,最终取得了17.72%的高光电转换效率,证明将高结晶性缺电子单元引入小分子给体第三组分中是提升三元有机太阳能电池效率的有效途径.     

π桥中不同吸电子基团对三苯胺-氰基丙烯酸类染料敏化太阳能电池性能影响的理论研究

采用密度泛函理论和含时密度泛函理论计算了染料的紫外-可见吸收光谱、电子注入驱动力、半导体导带能级移动量以及染料与碘的相互作用能等一系列评价电池性能的理论参数,以解释在π桥上引入不同吸电子基团导致三苯胺-氰基丙烯酸基染料敏化太阳能电池光电转换效率降低的原因.结果表明,在染料π桥上引入吸电子基团虽可以在一定程度上改善吸收光谱,但同时也引入了额外的与电解质中碘相互作用的位点,加快了与电解质之间的复合速率,影响了电子注入驱动力,最终导致电池光电转换效率降低.因此,在设计高效光敏染料时除了考虑吸收光谱外,也应考虑染料与电解质之间的复合以及电子注入驱动力这2个影响电池性能的关键因素.     

两种香豆素分子与TiO_2之间电荷转移的理论研究

染料敏化太阳能电池以其低成本高效率引起了人们广泛的关注,其中的光诱导电荷转移过程对太阳能电池的光电转化效率起着重要作用.本工作中我们以两种香豆素类染料分子7-羟基香豆素-4-乙酸(HCA)和7-N,N-二甲胺基香豆素-4-乙酸(DMACA)为例,从理论上研究了它们的几何结构和电子吸收光谱;并将其吸附在TiO_2表面上,计算了它们与TiO_2表面之间电荷转移的重组能、耦合强度和驱动力,进而计算了电荷转移速率.结果表明,DMACA分子中二甲胺基在第一激发态的旋转能垒约为0.08 eV,因此DMACA分子在第一激发态时很容易发生扭转.通过对HCA-TiO_2/DMACA-TiO_2体系中电子转移过程的研究,发现尽管两者重组能相似,但前者耦合强度和驱动力比后者小,使前者的电子转移速率略小于后者.当DMACA-TiO_2体系中二甲胺基在激发态发生扭转后,耦合强度略微减小,但由于驱动力减小,重组能增大,电子注入速率明显降低.因此,本工作不仅合理地解释了实验现象,而且也提供了一种理论预测染料分子-半导体界面上电子转移的可行性方法.     

供/吸电子基团共轭桥联的双BODIPY衍生物的合成及性能

设计合成了4种对称的以不同供/吸电子基团为共轭桥、两端连接meso位苯或噻吩取代的新型氟化硼二吡咯甲川(BODIPY)衍生物;通过1H NMR,13C NMR和MS等手段对其进行了结构表征;并采用紫外吸收光谱、荧光发射光谱及循环伏安(CV)等方法研究了其光电性能.紫外光谱数据表明,BODIPY结构具有明显的特征吸收,中间的桥联基团无论是强供电子的苯并二噻吩(BDT)还是强吸电子的苯并噻二唑(BT)均不能使整个分子产生明显的分子内电子迁移(ICT).另一方面,meso位的取代基可与BODIPY核产生微弱的ICT,且meso位噻吩取代的分子比meso位苯环取代的分子表现出更强的ICT.紫外光谱数据和电化学测试结果表明,meso位噻吩取代的分子比meso位苯环取代的分子具有更低的氧化电位和更窄的能隙.     

锌卟啉自组装在染料敏化太阳能电池中的应用（英文）

制备了2种锌卟啉天线分子P2与P3,并通过自组装的方法成功地将这些天线分子应用到了染料敏化太阳能电池之中。与传统的D-π-A结构的染料相比,这种策略显示出了明显的优势:可以避免复杂的合成步骤,还可以通过调节天线分子和锚固基团的结构去改善染料的光子捕获能力并减少电荷复合行为。当4-吡啶-4-基苯甲酸(A)作为锚固基团时,经过分子自组装之后,基于A-P2的电池器件显示出了1.68%的转换效率,开路电压为526 mV,短路电流密度为5.39 mA·cm~(-2),这充分说明了自组装策略在染料敏化太阳能电池中得到了很好的应用。而基于A-P3的电池器件能量转换效率只有0.79%,这可能主要是因为天线分子P3较大的位阻减小了染料吸附量的原因造成的。我们另外也测试比较了它们在光学、电化学、光伏性能等方面的差异。     

以苯并噻二唑为辅助受体的N-苯基咔唑类染料敏化剂的合成及光伏性能

以N-苯基咔唑为电子给体,苯并噻二唑为辅助电子受体,噻吩或苯为π桥,氰乙酸或罗丹宁乙酸为键合受体,设计合成了四个N-苯基咔唑类染料敏化剂.对所合成的染料敏化剂的光谱性能和光电转换性能进行了研究.以氰乙酸为受体的染料敏化剂尽管最大吸收波长和摩尔吸光系数较以罗丹宁乙酸为受体的染料敏化剂低,但由于其电子注入效率高,导致其光电流和光电压均较优.以苯环为桥键的染料敏化剂较以噻吩环为桥键的染料敏化剂具有更好的光电流和光电压,因此四种染料敏化剂中,以苯基作为桥键,氰基乙酸作为受体的染料敏化剂获得较佳的光电转换效率5.28%(J_(SC)=9.14 mA/cm~2,V_(OC)=0.74 V,FF=0.78).     

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.     

锌卟啉自组装在染料敏化太阳能电池中的应用

制备了2种锌卟啉天线分子P2与P3，并通过自组装的方法成功地将这些天线分子应用到了染料敏化太阳能电池之中。与传统的D-π-A结构的染料相比，这种策略显示出了明显的优势：可以避免复杂的合成步骤，还可以通过调节天线分子和锚固基团的结构去改善染料的光子捕获能力并减少电荷复合行为。当4-吡啶-4-基苯甲酸（A）作为锚固基团时，经过分子自组装之后，基于A-P2的电池器件显示出了1.68%的转换效率，开路电压为526 mV，短路电流密度为5.39 mA·cm^-2，这充分说明了自组装策略在染料敏化太阳能电池中得到了很好的应用。而基于A-P3的电池器件能量转换效率只有0.79%，这可能主要是因为天线分子P3较大的位阻减小了染料吸附量的原因造成的。我们另外也测试比较了它们在光学、电化学、光伏性能等方面的差异。     

苯并噻二唑类电子受体材料分子设计与给-受体的理论匹配

设计并理论预测了一系列A'-π-A-π-A'型苯并噻二唑衍生物电子受体分子的几何构型、前线轨道特征、吸光性质及电子重组能等信息,同时考察了丙酮、氯苯溶剂对其性质的影响. 在此基础上将性能优异的受体分子与特定给体分子组合构建给-受体（D-A）界面,通过计算给体HOMO与受体LUMO之间的电子耦合V_if,评估了D-A界面载流子的复合程度. 结果表明,合理选择取代基对核心受体苯并噻二唑进行修饰是调节LUMO能级和能隙的有效方法. 将平面性好的受体材料与非平面型给体材料搭配作为有机太阳能电池光活性层材料,有可能达到降低界面复合、减小光电压损失和提高开路电压的目的. 综合考虑ΔE_L,V_if,光吸收效率及溶剂化效应等因素,D1-1aγ及D1-2aγ组合有望成为电子迁移率高、在可见光和近红外区吸收宽、界面激子可以有效分离且不易复合的理想给-受体分子组合.     

含树枝状和3D三苯胺衍生物有机染料的合成与光伏性能研究

设计合成了三种以树枝状和3D三苯胺衍生物为给体单元,苯甲酸为受体单元,苯并噻二唑(BT)或双氟苯并噻二唑(DFBT)作为第二受体单元的有机染料,系统研究了不同给体和第二受体单元对染料敏化剂的光物理性能、电化学性能和光伏性能的影响.以树枝状三苯胺衍生物为给体单元的有机染料具有较高的摩尔吸收系数,以3D三苯胺衍生物(IDTTPA)为给体单元的有机染料具有较宽的吸收光谱.基于三种有机染料的染料敏化太阳能电池分别获得了5.27%,4.22%和5.50%的能量转换效率.采用1mmol·L~(-1)鹅去氧胆酸(CDCA)共吸附剂对电池进行优化后,三种染料的能量转换效率分别提升到5.46%, 4.98%和6.26%.     

可溶液加工p-n多臂结构共轭分子的设计合成与应用

设计合成了两种以p型苯基咔唑为核,n型苯并噻二唑衍生物为臂的p-n多臂结构共轭分子S1和S2.通过1H NMR,13C NMR,GC-MS/MALDI-TOF等表征了其化学结构,研究了其光物理性质、热力学性质、电化学性质及其电子结构等,并作为活性材料应用于制备有机太阳能电池器件.实验结果表明所得的p-n多臂结构共轭分子表现出良好的溶液加工性、较宽的光谱吸收、较窄的能隙和较高的开路电压等特性.     

高效金属双卟啉染料的计算设计及其敏化TiO2半导体复合体系的理论研究

基于广泛的密度泛函理论计算,理论上设计并表征了一类新型的金属双卟啉染料.这些新型的卟啉染料具有很强的光捕获能力,且其低激态表现出优良的电荷分离性质.通过对这类染料体系的结构修饰,如包含不同金属的共轭大环(卟啉环或咔咯环)的取代,可以很容易地调控它们的光电子性质.计算表明,这类金属双卟啉染料的电子性质能很好地匹配不同的氧化还原电对,在染料太阳能敏化电池研究中具有好的应用前景.基于第一性原理计算,预测了金属双卟啉染料敏化TiO2体系的电子结构性质,讨论了可能的直接和间接电子注入机制,其间接电子注入时间约20 fs,电子注入过程非常快.     

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.