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.

两亲性D-π-A型有机染料在染料敏化太阳能电池中的应用

设计合成了6个带有烷基链的D-π-A型有机光敏染料应用于染料敏化太阳能电池.发现长链烷基有利于电池开路光电压的提高.利用脂肪酸共敏化可进一步提高染料分子的敏化效果,且提高的程度与脂肪酸的链长有重要关系.

太阳能电池中具有D-A-π-A型有机染料分子的理论研究

用密度泛函理论,对具有D-A-π-A型两个有机染料分子WS-3和WS-4进行了优化,获得了WS-3和WS-4的稳定结构.为了研究WS-3、WS-4和Ti O2之间的光电转化性质,用对接软件把WS-3、WS-4和Ti O2结合在一起,获得WS-3TiO2和WS-4TiO2的几何结构,然后,对WS-3TiO2和WS-4TiO2的结构进一步优化,获得稳定的WS-3TiO2和WS-4TiO2的基态和激发态结构.最后,计算了WS-3、WS-4、WS-3TiO2、WS-4TiO2前线分子轨道能级,并分析了Ti O2的静电荷,计算结果和实验吻合较好,希望这些研究结果为设计这类化合物提供理论参考.

D-π-A-π-A结构有机光敏染料的合成及其在太阳能光电转化和光解水制氢中的应用

选择N,N′-二甲基苯胺作为电子给体,乙炔基和苯基作为π桥键,苯并噻二唑基团作为辅助受体,氰基丙烯酸为电子受体设计合成了一个具有D-π-A-π-A结构的有机染料OD2。对该染料的光谱性能和电化学性能进行了研究,并将其用作光敏剂引入太阳能光电转化和光解水制氢领域。当OD2应用于光伏领域:在AM1.5(100 m W?cm-2)的光强下,OD2敏化的电池的光电转化效率(η)为4.40%(短路电流密度(Jsc)=10.58m A?cm-2,开路电压(Voc)=630 m V,填充因子(FF)=0.65);当OD2应用于染料敏化可见光催化制氢领域:在300 W氙灯光源可见光照射10 h,OD2敏化的Pt/Ti O2在p H=7.0,10%(φ,体积分数)三乙醇胺水溶液中的催化转化数(TON)为140,相应的表观制氢量子产率(ΦH2)仅为0.42%。显然,OD2在光电转化领域比可见光催化分解水制氢领域更具有应用潜力。

吩噁嗪-吩噻嗪基双D染料的光伏性能研究

将N-苯基吩噁嗪单元连在吩噻嗪单元的7号位上,以噻吩为π单元,氰基乙酸为A单元,构成一种新型的D-D-π-A型染料分子PTZ-4。通过光物理和电化学性能测试,分析染料分子的光捕获能力和分子能级分布。同时,将PTZ-4染料应用到DSSC中,测试器件光伏性能。结果表明,该染料在可见光区有着较好的光捕获能力,在300~500 nm间有较大的吸收。分子的能级符合DSSC的要求,且其器件的光电转换效率为4.18%。

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.

有机染料合成及其构效关系研究的综合实验设计

电子给体-共轭桥-电子受体(D-π-A)型纯有机染料因其便于修饰和研究的模块化结构以及优良的光电性能,在染料敏化太阳电池领域得到了广泛的关注。本实验合成两种基于咔唑电子给体的D-π-A染料DX-1和DX-2并用于染料敏化太阳电池中,分别获得了2.94%和4.58%的光电转换效率。本文通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、循环伏安法分析了染料的分子性质,讨论了共轭桥长度对染料性能的影响。该综合实验使学生能了解和掌握有机染料的设计、制备、性质和应用等方面的实验技能和科研能力。