D-A-π-A,多极和树枝状有机染料敏化剂结构效能关系的理论研究与优化设计

Photovoltaic cell is one of the main forms of solar energy utilization. Compared with traditional silicon materials, organic dyes have more broad application prospects for the diverse structures, easy fabrication and low cost. The key issue in the research of Dye-sensitized solar cells (DSSCs) is how to improve the molar absorption coefficient of organic dyes, broaden the range of the spectral response and increase the efficiency of the charge and energy transfer. This project is to study the D-A-π-A, D-π-A-π-D type and the branchlike organic dyes and perform their optimal design with density functional theory as well as 2D and 3D real-space analysis. It mainly contains three parts: 1) to analyse optical absorption micromechanism of organic dye-sensitizers; 2) to study efficiency of the charge and energy transfer between organic molecule and semiconductor; 3) the new DSSCs are designed by the introduction of electron- withdrawing or electron-donating substituents into the three kinds of dyes, which simultaneously tunes the molecular and electronic structures. We will perform a theoretical study of the substituent effect on the absorption spectrum, the efficiency of the charge and energy transfer, as well as the conversion efficiency to explore an effective way to achieve higher performance of this photovoltaic cell. Therefore, the current project has important scientific significance for developing new types of photovoltaic cells in the micro-structural terms.

光伏电池是太阳能利用的主要形式之一。与传统的硅材料相比，有机染料分子结构多样、合成工艺简单、成本低廉，具有更广阔的应用前景。如何提高有机染料分子的摩尔吸光系数、拓宽光谱响应范围、提高染料敏化晶体系的电荷和能量转移效率是染料敏化太阳能电池研究的关键问题。本项目预采用密度泛函理论结合2维和3维实空间分析方法，研究三类新的D-A-π-A、D-π-A-π-D型和树枝状染料敏化剂的构效关系以及分子优化设计。主要内容包括：1）有机敏化剂光吸收性质的微观作用机制；2）光诱导有机染料和半导体之间的电荷和能量转移效率；3）在有机染料上嵌入不同给电子和吸电子取代基，使其分子结构和电子结构同时调节，构建新的染料敏化晶太阳能电池，研究取代基效应对吸收光谱、电荷和能量转移效率以及光电转换性能的影响规律，探索进一步提高此类光伏电池性能的有效途径。本项目对通过微观结构设计研制新型光伏电池的研究具有重要的科学意义。

该项研究紧密围绕清洁环保的新能源材料，不断拓宽和深入研究内容，形成以有机电池为主题，研究界面电荷转移和载流子传输为特点，各种功能互相联系、注重从理论和实验上揭示结构-性能关系的研究局面。采用量子化学方法研究几种构型染料的几何结构、电子结构、光谱、染料与半导体、染料与电解质界面相互作用、电子转移和电荷分离与复合效率的评估以及光物理化学性质等影响电池效率的重要参数，分析实验结果产生的本质原因，建立结构和性能的内在联系。研究发现D-A-π-A型XY染料的基态电子受到光激发后跃迁至激发态，并快速注入到半导体中时间在几飞秒，该超快过程对短路电流密度有重要贡献，XY2构型染料降低了导带电子与染料复合，同时通过与电解质相互作用抑制了电子回传的发生，使得该种染料表现出更高的开路电压；针对多枝状T染料，分子能级与半导体和电解质相匹配，染料光谱受溶剂效应的影响显著，多枝状T染料的电荷转移程度要明显优于线型分子，其较高的光电转换效率主要归因于超快的电子注入、长时间激发态寿命、较大的偶极矩和对电荷重组的抑制以及改善的化学反应参数。双锚染料光激发存在完全的染料到半导体的电荷转移，使其光谱和光电参数评估值要优于局域不完全电荷转移的染料-半导体；从分子设计的角度，共轭桥的种类和长度影响整体的光电转换效率，较长的共轭桥能抑制电荷转移与吸收光谱的红移。官能团CN和NH2对性能的调控存在官能团取代位置和个数的因素影响，而这些官能团对性能参数的调节具有单一性。实验和理论研究几种多羟基染料光电性能，表明除了染料具备较好的化学参数外，染料吸附量也是影响其性能的重要原因之一。项目执行过程中在SCI收录的期刊上发表学术论文27篇，影响因子大于3的论文13篇，其中在SCI收录的期刊Journal of Molecular Liquids发表综述性文章1篇。培养硕士研究生7人，其中已毕业研究生1人，联合培养博士研究生1人。多人次参加国内学术会议，与国内外高校开展广泛的国内外合作交流。