面向染料敏化太阳能电池的新型有机染料设计

摘要

染料是染料敏化太阳能电池(DSSC)的重要组成部分，对DSSC设备的效率起着举足轻重的作用。因此，设计新型的具有高摩尔消光系数，宽光谱吸收的高效有机染料是DSSC中非常关键和紧迫的任务。本文以实验中已经合成的具有典型电子供体-共轭桥-电子受体(D-π-A)结构的有机染料为基础，针对结构中三个不同的组成部分进行独立的修饰设计了相应的系列染料分子，并采用密度泛函理论(DFT)和含时DFT理论(TDDFT)研究了它们的轨道能级、吸收光谱及光捕获效率等性质。筛选了一系列的性能优异的电子供体、π共轭桥和电子受体。并通过组合这些性能优异的基团设计了系列新型有机染料BUCT1-BUCT30。本文的主要内容如下:
　　1.研究了实验中已合成的一类典型吩噻嗪染料Dyel-Dye4的能级及吸收光谱，从理论上诠释了以这些电子受体位置不同的染料为敏化剂的DSSC效率差别很大的原因。研究发现染料的电子供体和电子受体在同一平面内的“(一)”字形构型能促进电子在分子内的转移，提高染料的光捕获能力以及拓宽染料的光谱响应范围等方面的性质，为进一步筛选具有良好构型的有机染料提供了参考。
　　2.以实验中合成的三苯胺染料P0(TA-St-CA)为原型，采用不同的供电子基团、π共轭桥和吸电子基团对D-π-A型的三苯胺分子进行结构修饰改性，设计了系列染料D1-D4，Pi1-Pi12和A1-A7，通过理论计算筛选出D2的供体，Pi10-Pi12的π共轭桥和A7的电子受体是优异的功能基团。重组筛选的D、π、A功能基团，设计了6种具有D-π-A结构的新型染料BUCT1-BUCT6。结果表明:这6种染料均比实验合成的P0具有更小的HOMO-LUMO能隙、更高摩尔消光系数和明显的红移。通过比较这6中染料发现包含双氰基团的受体均比包含单氰基团的受体具有更窄的能隙，更宽的吸收光谱。特别地，受体中包含双氰基团的BUCT2染料比实验染料P0不仅有215nm的红移和更大的摩尔消光系数（32.4％的提高），而且其吸收光谱范围涵盖了整个可见光区域并延伸到近红外的1100 nm。因此，BUCT2是一种非常有前景的全光染料，并且其受体基团中的双氰基乙烯磺酸基团可能是设计与合成新型染料的很有前景的电子受体。
　　3.选取目前实验中使用较为广泛的有机染料d01(D5)为原型，采用二苯基乙烯苯、吩噻嗪和二萘嵌苯等5种电子供体取代d01的供体设计了染料d02-d06，并进一步采用甲氧基、丁基和苯基等6种不同的供电子基团对d06的供体进行修饰改性，设计了染料d07-d12。研究发现d12中的供体是较好的染料电子供体。因此，我们以d12的供体为D、Pi10-Pi12的共轭桥为π、双氰基丙烯酸和双氰基乙烯磺酸为A，设计了新的D-π-A型染料BUCT7-BUCT12。结果表明BUCT7-BUCT12和实验中已经合成的染料d01相比具有更小的 HOMO-LUMO能隙、更高摩尔消光系数和非常明显的红移。尤其是BUCT8和d01相比不仅有133 nm的红移及最大摩尔消光系数74.1％的提高而且其吸收光谱范围涵盖整个可见光区域并延伸到近红外的1000 nm。另外，通过对照BUCT7和BUCT8发现，这两种染料除了受体中的受体基团不同外，其余的结构完全一样，但是其吸收光谱有较大差异，BUCT8较BUCT7有24 nm的红移，且BUCT8涵盖的光谱范围更宽。比较BUCT9和BUCT10， BUCT11和BUCT12也有同样的结果发现。因此，从吸收光谱方面考虑，含有双氰基的乙烯磺酸作为电子受体要优于含有双氰基的丙烯酸。
　　4.以验证中合成的染料SH-6为原型，采用不同的单环、双环、三环及它们的组合结构作为π共轭桥设计了54种具有D-π-A型的染料，通过研究它们的分子轨道能级、吸收光谱、光捕获效率及光谱响应范围等性质，系统地筛选了系列π共轭桥。结果表明Pd2-π、Pd4-π、Pe2-π、Pe2-π和Pe3-π等共轭桥是D-π-A结构中优异的π共轭桥基团。利用已筛选的共轭桥中两两组合功能基团为π桥、双氰基乙烯磺酸为电子受体，设计了18种具有D-π-A结构的新染料BUCT13-BUCT30。结果表明:和实验合成的染料SH-6及由π桥优化得到的染料F13和F18相比，BUCT13-BUCT30有更小的HOMO-LUMO能隙，更高的摩尔消光系数和较明显的红移。尤其值得一提的是，染料BUCT13-BUCT30分子中吸收峰大于650 nm的共有8种染料，其中BUCT27的最大摩尔消光系数，较SH-6有了近80％的提高，其吸收峰比SH-6红移了234 nm。BUCT19染料吸收峰位于705 nm处，较SH-6红移了269nm，是BUCT系列染料中向长波方向移动最大的染料，而且具有相当宽的吸收光谱，涵盖了整个可见光区域并扩展到近红外的区域的1250nm。
　　总之，我们采用DFT/TDDFT方法通过对具有D-π-A型的有机染料分子进行综合修饰及筛选，设计了系列的新型具有高摩尔消光系数，宽光谱吸收的新型有机染料，为设计与合成用于高效DSSC的新型有机染料提供理论基础。