D-π-A型分子染料敏化剂的结构与性质关系

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摘要：采用密度泛函理论(DFT)方法计算了D1-D9九种染料分子及其吸附到半导体TiO2后分子的几何和电子结构。在全优化几何构型的基础上，采用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了染料的电子吸收光谱特征和电荷转移态本质，并计算了染料分子的基态和激发态光物理性质与热力学参数。结果表明，三苯胺比咔唑作为给体在光谱中红移现象更为明显，而咔唑作为给体具有更强的最大波长处振子强度，同时共轭链的长短也改变了吸收光谱性质，并以此影响了染料分子的光物理性质, 最终影响到DSSCs的能量转换效率。55987

毕业论文关键词：D-π-A型染料，电子吸收光谱，密度泛函理论

Abstract: The geometric and electronic properties of D1-D9 dyes before and after binding to titanium dioxide (TiO2) were calculated by density functional theory (DFT). UV-Vis spectrum properties and electron transfer states were investigated by time-dependent density functional theory (TD-DFT) on the basis of the ground state geometry. The results indicate that compared with carbazole as donor, the absorption spectrum of dyes with triphenylamine group as donor are red shift than that of dyes with carbazole, and carbazole deritatives show the larger oscillator strength. Furturemore, the length of conjugated chain have an important effect on the absorption spectrum properties by altering the energy gap, which can affect photophysical properties and photo-electonic conversion efficiency of DSSCs finally.

Keywords: D-π-A dyes, electron absorption spectrum, density functional theory

1 前言…4

2 计算方法…4

3 结果与讨论5

3.1 几何构型5

3.2 紫外可见吸收光谱6

3.3 激子结合能…9

3.4 电子注入驱动力和光捕获效率…10

结论 12

参考文献 13

致谢 14

1 前言

与传统的基于高纯硅晶体的无机太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于具有成本低廉、染料易合成及转换效率高等优点而备受关注。1991年瑞士洛桑高工的Grätzel研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜电极，以金属钌多吡啶配合物做敏化染料并选用I-/I-3氧化还原电对的电解质溶液，首次研制出结构简单、易于制造及生产成本低等突出优点的新型太阳能电池-染料敏化太阳能电池(DSSCs)，其能量转化效率高达7.1%[1]。目前，实验上以多吡啶钌配合物为光敏剂的DSSCs的光电转换效率(PCE)已达到11%以上[2]。然而, 由于钌的价格昂贵及重金属污染，因此限制了其DSSCs的广泛应用。近年来，基于非金属的有机染料的DSSCs因其低成本、易制备、环保，同时具有较高的光电转换效率等优点而越来越受到人们的重视。

染料敏化太阳能电池主要由吸附着光敏染料的光阳极、含有氧化还原电对的电解质溶液及对电极组成。光敏染料吸收太阳光使电子跃迁到激发态，若染料最低空轨道与半导体导带的能级匹配，则染料可将激发态电子注入到半导体中实现电荷分离；电子注入到半导体的导带后在半导体内传输，通过外电路传递到对电极上；对电极上的电子以电解质为中介再生失去电子的染料正离子，完成一个循环过程。作为DSSCs的重要组成部分，光敏染料起着吸收光能并进行转换的作用[3]。目前，有机光敏染料大都用给体(D)-π桥-受体(A)的结构，大量的研究表明，这种D-π-A型分子结构不仅有利于分子内的电荷转移，同时易于通过给体、π桥及受体基因的修饰来调控分子的性能[4]。本文根据文献报道[5,6]的D2、D8设计了系列D-π-A分子以三苯胺和咔唑为给体、噻吩乙烯为共轭链以及氰基羧酸为受体的有机光敏染料(图1)，采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函(TDDFT)理论方法研究了染料分子的几何结构、电子跃迁性质、激子结合能和吉布斯自由能变，探讨其作为染料敏化剂的性质。源'自:优尔-'论]文'网"www.youerw.com