染料敏化太阳能电池中具有不同电子给体的吩噻嗪类有机光敏染料的理论研究

高等学校化学学报 ›› 2011, Vol. 32 ›› Issue (6): 1343.

染料敏化太阳能电池中具有不同电子给体的吩噻嗪类有机光敏染料的理论研究

张吉^1,2, 李海斌², 吴勇², 耿允², 段雨爱², 廖奕^1,2, 苏忠民²

1. 首都师范大学化学系, 北京 100048;
2. 东北师范大学化学学院, 功能材料化学研究所, 长春 130024

收稿日期:2010-11-15 修回日期:2011-03-14 出版日期:2011-06-10 发布日期:2011-05-10
通讯作者: 廖奕;苏忠民 E-mail:liaoy271@nenu.edu.cn;zmsu@nenu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号: 20903020)\, “长江学者和创新团队发展计划”项目(批准号: IRT0714)和国家“九七三”计划项目(批准号: 2009CB623605)资助.

TD-DFT Studies on Phenothiazine-based Dyes with Different Donor in Dye-sensitized Solar Cells

ZHANG Ji^1,2, LI Hai-Bin², WU Yong², GENG Yun², DUAN Yu-Ai², LIAO Yi^1,2*, SU Zhong-Min^1*

1. College of Chemistry, Capital Normal University, Beijing 100048, China;
2. Institute of Functional Material Chemistry, College of Chemistry, Northeast Normal University, Changchun 130024, China

Received:2010-11-15 Revised:2011-03-14 Online:2011-06-10 Published:2011-05-10
Contact: LIAO Yi;SU Zhong-Min E-mail:liaoy271@nenu.edu.cn;zmsu@nenu.edu.cn
Supported by:
国家自然科学基金(批准号: 20903020)\, “长江学者和创新团队发展计划”项目(批准号: IRT0714)和国家“九七三”计划项目(批准号: 2009CB623605)资助.

摘要/Abstract

摘要： 在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中，染料影响着TiO2/染料/电解质等界面处的诸多重要的电子转移过程，从而影响电池总的能量转换效率. 为阐明D-π-A类光敏染料中，电子给体的不同所引起的能量转换效率的差异，本文采用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法计算了两个最近合成的吩噻嗪类染料及其吸附到TiO2上后分子的基态和激发态光物理性质与热力学参数. 结果表明，电子给体的改变虽然没有明显的改变染料的光谱性质（垂直跃迁能和振子强度），却可以改变分子的前线轨道能级，进而影响染料分子的激子结合能Eb及激发态电子注入到半导体TiO2中的驱动力ΔGint的大小，并最终影响电池的能量转换效率. 因而本文指出了在今后有机光敏染料的合成设计上，除了关注重要的光谱性质外，也可以通过对染料分子结构的修饰来降低染料的激子结合能，同时提高染料激发态电子注入到半导体TiO2中的驱动力来改善电池的能量转换效率.

关键词: 吩噻嗪类染料, 电子给体, 垂直跃迁能, 激子结合能, 自由能, TD-DFT

Abstract: To shed light on the effects of the donor part in organic dyes on the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSCs), Density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) calculations were carried out to gain insights into the photophysical properties and the parameters of electron injection and transfer for the ground and excited states of phenothiazine-based dyes before and after binding to titanium dioxide(TiO2). The theoretical results reveal that the exciton binding energy Eb and the free energy change ΔGint for the electron injection of the dyes are crucial in determining the energy conversion efficiency of DSSCs when these dyes have the similar absorption spectra,i.e vertical transition energies and oscillator strength. We hope our conclusions would play a theoretical guiding role in the design and synthesize of new organic dyes.

Key words: Phenothiazine-based dyes, Donor, Vertical transition energy, Exciton binding energy, Free energy change, TD-DFT

中图分类号:

TrendMD:

张吉李海斌吴勇耿允段雨爱廖奕苏忠民. 染料敏化太阳能电池中具有不同电子给体的吩噻嗪类有机光敏染料的理论研究. 高等学校化学学报, 2011, 32(6): 1343.

ZHANG Ji, LI Hai-Bin, WU Yong, GENG Yun, DUAN Yu-Ai, LIAO Yi*, SU Zhong-Min*. TD-DFT Studies on Phenothiazine-based Dyes with Different Donor in Dye-sensitized Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(6): 1343.

[1]	崔韶丽, 张维佳, 邵学广, 蔡文生. 自由能计算揭示苏氨酸对抗冻蛋白与冰晶结合能力的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210838.
[2]	杨涛, 姚会影, 李青, 郝伟, 迟力峰, 朱嘉. 高催化活性M-BHT(M=Co， Cu)电催化还原CO₂为CH₄的密度泛函理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1268.
[3]	妙孟姚, 郭一畅, 邵学广, 蔡文生. 分子梭协助离子跨膜运输的机理研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3116.
[4]	叶成濠, 梁亨, 李恩民, 许丽艳, 李鹏, 陈广慧. 高通量虚拟筛选CDK2/Cyclin A2靶点抑制剂[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3135.
[5]	瞿思颖, 徐沁. 凝血因子Xa的S4口袋部分关键残基对利伐沙班结合的不同作用机制[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1918.
[6]	张宏, 蔡文生, 邵学广. 不同力场对B-DNA到A-DNA构型转变的影响[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(6): 1205.
[7]	段永斌, 殷燕, 孟凡丽, 赵连花, 刘玉坤, 袁哲, 冯阳波. 基于分子对接和自由能计算的高活性苯并噻唑类ROCK抑制剂的设计、合成和生物学评价[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(9): 1568.
[8]	王嵩, 管珊珊, 万永凤, 单亚明, 张浩. 血管紧张素转换酶与抑制肽结合模式的分子动力学研究[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(7): 1216.
[9]	任家毅, 杨志伟, 郑念珏, 李军旗, 杨春龙, 林淑健, 杨冰, 黄俊卿, 廖化新, 袁晓辉, 欧仕益. 力场/溶剂水模型对EGFRvⅢ抗原-MR1(scFv)抗体复合物的MM-PBSA计算精度的影响与实验验证[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(11): 2070.
[10]	沈文, 邵学广, 蔡文生. 环糊精包结谷胱甘肽的机理[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(10): 1809.
[11]	王晓雯, 李爽, 姜笑楠, 王长生. 槲皮素与腺嘌呤氢键作用的最佳位点[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(5): 932.
[12]	汪双双, 刘鹏, 蔡文生, 邵学广. 链状结构的疏水性对溶剂控制的轮烷穿梭行为的影响[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(11): 2211.
[13]	王衍, 郑清川. 人类细胞色素P450 2E1酶在不同乙醇浓度下构象变化的分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(11): 2226.
[14]	李悦, 方德彩. 叔丁氧基自由基引发氢迁移过程的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(10): 1954.
[15]	何佳, 冯喜增, 邵学广, 蔡文生. 疏水蛋白在云母表面的吸附[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(1): 110.