[发明专利]二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池有机染料技术领域，具体涉及一种二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计方法，其特征是通过量子化学的计算及自然价键理论(NBO)和前线分子轨道理论的分析对比实现一系列新型高性能二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计。

背景技术

随着世界经济的迅猛发展和现代化程度的不断提高，能源和环境危机日益严重。寻找高效、无污染、可再生资源成为世界各国的共同目标。太阳能电池可以将太阳能直接转化为电能，是一种清洁能源，是解决能源危机和环境污染的最佳途径之一。在太阳能电池中，硅系太阳能电池是发展最成熟的，但由于其成本居高不下，远远不能满足大规模推广应用的要求。燃料敏化太阳能电池(DSSCs)是瑞士科学家教授于1991年提出并发展起来的一种新型高效太阳能电池，其具有高效、低成本、低能耗、环境友好等优点，显示出强大的商业应用前景，是太阳能电池发展的新里程碑。

染料敏化剂作为DSSC中关键的光电转换材料，受光激发后电子由低能级基态跃迁至高能级激发态，产生有效电势差。理想的染料敏化剂需具备的性质有：吸收光谱范围覆盖整个可见及近红外区，分子内电子能定向转移和传输，吸附基团利于在半导体表面吸附及电子注入，与半导体材料和电解质溶液能级匹配以及良好的光、电、热、化学稳定性能等。目前低效的染料敏化剂是导致DSSC光电转换效率偏低的主要瓶颈之一。问题主要存在于染料敏化剂分子吸收光谱响应范围偏窄、光吸收强度偏低，电子从染料敏化剂注入半导体的效率偏低且存在电子复合，染料敏化剂分子充电过程速度偏慢，以及光、电、热稳定性等问题；另外，还存在降低成本及控制污染等因素。

在众多的染料敏化剂中，多吡啶钌染料敏化剂凭借良好的可见光谱响应特性、突出的氧化还原性能及化学稳定性，成为目前研究及应用最广泛的染料敏化剂。目前，Ru系染料敏化太阳能电池的光电转换效率已经达到10％以上。然而，这类染料敏化剂含有贵金属，提纯复杂，电池成本较高，为了避免贵金属染料的使用，目前世界的研究重点已经放在了可替代Ru基多吡啶配合物的高效有机染料敏化剂上。因此，设计和开发新型二硫富瓦烯基(DTF)纯有机染料敏化剂分子以提高DSSC效率、降低成本及消除污染是目前DSSC研究的重要内容和任务之一，具有重要的科学价值和现实意义。

发明内容

本发明方法所采用的计算机模拟软件为GaussView和Gaussian软件包。基于量子力学的基本原理，Gaussian不仅能够预测能量、分子结构、分子的振动频率以及各种分子性质，而且可以计算各种条件下的分子或化学反应体系，无论化合物处于稳定状态还是处于试验无法观察到的过渡态。GaussView是Gaussian的图形用户界面，用于简单快速地构造、观察分子，设置参数和提交Gaussian计算任务，并显示Gaussian计算结果。

本发明方法利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD–DFT)结合Tomasi’s Polarized Continuum Model(PCM)模型研究二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂分子的基态稳定结构、激发能、强度及紫外–可见(UV–VIS)吸收光谱特性、溶剂效应及溶液中电子传输过程；利用自然价键理论(NBO)和前线分子轨道理论分析DTF染料敏化剂分子的轨道组成及能级信息；利用第一性原理优化铜基联吡啶染料敏化剂在半导体表面吸附构型，并运用马库斯理论(Marcus Theory)估算电子由敏化剂注入半导体表面的速率。整合对比各DTF染料敏化剂分子的各性能参数，归纳总结影响DTF料敏化剂光电转换效率的微观因素，通过改变替代官能团种类或改变官能团取代位置改善DTF染料敏化剂综合性能，建立一种二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计方法。

本发明的内容可分为二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂构型设计及光电转换机理和二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂电子注入机理研究两部分，具体内容如下：

(1)二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂构型设计及光电转换机理研究

①采用“供体(D)–共轭桥(π)–受体(A)”理念设计基于DTF纯有机分子链接烯烃、炔烃、苯、噻吩等共轭体系的纯有机染料敏化剂，并借助GaussView软件构建二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂分子模型；利用Gaussian软件包优化染料敏化剂分子在气、液相中的稳定结构，并表征新型染料敏化剂各官能团性能及贡献强弱；分析染料敏化剂分子HOMOs、LUMOs轨道组成及能级；