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

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1、万方数据Vol。342013年8月高等学校化学学报CHEMICALjoURNALOFCHINESEUNIVERSITIESNo．81945—1952doi：10．7503／cjeu20130090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苏欣，张吉，吴勇，耿允，苏忠民(东北师范大学化学学院，功能材料化学研究所，长春130024)摘要D．仃．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(DFr)

2、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．关键词染料敏化太阳能电池；D．7

3、r—A型有机染料；光捕获效率；染料再生效率；密度泛函理论中图分类号0641文献标志码A自从1991年Gratzel等⋯报道了具有简单结构的染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有高达7％的光电转换效率(PCE，7／)以来，DSSCs即引起了广泛关注¨’2j．与传统的硅基半导体太阳能电池相比，DSSCs具有高能量转换效率及低成本等优点．目前，实验上以多吡啶钌配合物为光敏剂的DSSCs的叼已达到1l％以上13J．然而，由于钌的价格昂贵，因此限制了其DSSCs的广泛应用．近年来，基于非金属有机染料的DSSCs因其低成本、

4、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‘4，5

5、．DSSC主要由吸附有光敏染料的光阳极(通常为TiO：)、含有氧化还原电对(通常为I一／i；)的电解质溶液以及对电极(通常为Pt)等几部分组成．光敏染料吸收太阳光后会从基态跃迁到激发态，激发态的染料会将电子注入到半导体的导带中，电子通过外电路到达对电极，失去电子的氧化态染料则从I一得到电子再生，I一被氧化为I；，Ii又从对电极那里得到电子还原为I一，这样就完成了一个循环过程心J．作为DSSC的重要组成部分，光敏染料的性能是决定器件效率

6、的关键因素．目前，有机光敏染料大都采用给体(D)一仃桥一受体(A)的结构，大量的研究表明，这种D一7r—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、仃桥及受体基团的修饰来调控分子的性能∞J．其中，氰基丙烯酸是目前使用最广泛的电子受体，而噻吩基团因具有较好的电子传输性质而成为一类应用比较广泛的仃桥构筑单元．目前，针对电子给体，仍有大量的研究工作，以期进一步提高器件的性能【_7

7、．最近，Kajiyama等哺1合成了一系列具有不同给体的非金属有机光敏染料，其中化合物1和2(见图1)结构非常相似，仅给体部

8、分稍有不同(分别为咔唑和二氢吲哚)，这一结构上的微小差异导致器件性能显著不同(刁，=5．4％，刀：=3．0％)．问题在于，电子给体的改变是如何影响染料性能的．近年来，量子化学方法已成为揭示染料分子结构与性能之间关系的可靠的研究手段，其为快速筛选高效染料分子提供了可靠的理论依据归1．我们曾经提出了一系列表征染料性能的理论参数，其中包括光捕获效率、电子注入驱动力、吸附后染料分子垂直方向偶极矩以及因光诱导产生的从染料分子转移到半导体的电子数目等¨¨12]．收稿日期：2013-01-25．基金项目：国家“九七三”计划项

9、目(批准号：2009CB623605)、国家自然科学基金(批准号：211311001，21273030，212030190)和吉林省科技发展计划项目(批准号：201201071)资助．+联系人简介：苏忠民，男，博士，教授，博士生导师，主要从事量子化学研究．E—mail：zmsu@nenu．edu．cn万方数据1946高等学校化学学报本文通过与实验值进行对比，进一步验证了上述理论参数的合理性，揭示染料分子结构与性能之间的关系，同时在此结论的基础上，设计出光敏染料3，以期为今后设计合成新型高效光敏染料提供一定的理论

10、指导．At=H(B)；@CsH—H矣17““／一＼”123Fig．1Molecularstructuresofisolatedorganicdyes1q(A)andabsorbed1-Ti02，2-Ti02and3--I'i02(B)1理论方法1．1理论背景DSSC的光电转换效率(叼)主要由短路电流(L)、开路电压(比)及填充因子(FF)等因素决定¨31：'7=FFj詈竺(1)式中，P