二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法技术

本发明专利技术公开了一种二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计方法。本发明专利技术方法的特色之处在于利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD–DFT)结合Tomasi’s Polarized Continuum Model(PCM)模型研究了一系列DTF-Cn(n不同，共轭桥π长度不同)纯有机染料敏化剂分子的理论设计、性能改良及筛选过程，通过分析对比敏化剂分子的轨道和能级信息、紫外-可见(UV-VIS)吸收光谱和激发态寿命、吸附构型和电子由敏化剂至半导体表面的注入速率等指标，实现对二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计。本发明专利技术提供了一种全新的材料研发形式，研发周期短、成本低，减少了材料浪费和环境污染，同时也可以节省大量人力、物力、财力，符合现阶段DSSCs研究的新目标，为二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计与开发提供了全新的思路。

【技术实现步骤摘要】
二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法
本专利技术涉及太阳能电池有机染料
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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’sPolarizedContinuumModel(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(MarcusTheory)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。本专利技术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；②表征二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂分子在气、液相中紫外–可见(UV–VIS)吸收光谱响应范围、吸收强度，比较气相与液相中UV–VIS吸收光谱变化趋势；分析分子内受光激发电子转移路径，运用马库斯理论(MarcusTheory)估算受光激发后DTF染料敏化剂分子内部电子由供体(D)转移到受体(A)做需要的时间及对应的敏化剂激发态寿命；③研究DTF染料敏化剂分子由微观结构到宏观效率(配体→几何构型→电子结构→吸收光谱特性→吸光效率)连锁效应，分析影响DTF染料敏化剂光电转换效率的关键微观因素。(2)二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂电子注入机理研究①研究DTF染料敏化剂在半导体TiO2表面的吸附位与结合方式，分析比较半导体材料吸附DTF染料敏化剂分子前后性能差异；研究吸附后分子整体轨道信息、吸附能大小及稳定性差异；②分析由受激发DTF染料敏化剂分子至半导体表面的电子转移路径及输运方式；计算受光激发后电子注入半导体速率、时间；分析影响电子捕获能力强弱及电子复合程度大小的关键因素；③比较链接不同吸附基团(羧酸基、磷酸基、氰基等)染料敏化剂分子的吸附差异，遴选激发态寿命长、利于表面吸附、电子传输便利的二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂；研究有效增强DTF染料敏化剂光捕获效率的途径。本专利技术的有益效果在于：提供了一种简便的二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂分子设计方法。本专利技术方法计算快速、结果准确、容易实现，不仅可以验证与解析实验结果，而且可以更加深入地探究受光激发后敏化剂分子内部电子转移及电子注入半导体TiO2表面过程，阐明DTF敏化剂光电转换效率的微观影响因素，为设计和筛选新型染料敏化剂材料提供直接的理论指导。此外，本专利技术提供了全新的材料研发形式，研发周期短、成本低，减少了材料浪费和环境污染，同时也可以节省大量的人力、物力和财力，符合现阶段DSSCs研究的新目标，为二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计与开发提供了全新的思路。附图说明本说明书包括如下附图：图1是具体研究的技术路线流程图；图2是二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的基本结构划分及代表分子的几何构型具体实施方式下面结合附图和实施案例对本专利技术进一步说明。实例基于密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD–DFT)结合Tomasi’sPolarizedContinuumModel(PCM)模型研究了一系列DTF-Cn(n不同，共轭桥π长度不同)纯有机染料敏化剂分子的理论设计、性能改良及筛选过程，通过对比各DTF-Cn纯有机染料敏化剂分子在气相和甲基氰化物溶液中的分子轨道、紫外–可见吸收光谱(UV–VIS)、受光激发后敏化剂分子内电子转移速率、激发态寿命、电子由敏化剂至半导体TiO2(101)表面注入速率等参数指标，归本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术提供了一种二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法，通过量子化学计算及自然价键理论(NBO)和前线分子轨道理论等的分析、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。

【技术特征摘要】
1.一种二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法，通过量子化学计算及自然价键理论和前线分子轨道理论的分析和对比，实现二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计；所述二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法的具体实施方式分为以下4步：(1)模型构建借助GaussView图形界面构建二硫富瓦烯基染料敏化剂分子；设置计算参数，模拟气相及现实电解质溶液环境，并采用导体极化连续模型；(2)计算模拟与结果分析利用Gaussian分别对各二硫富瓦烯基染料敏化剂分子在气相和液相中的几何结构进行优化；分析溶剂效应对含有各种不同供体D、不同共轭桥π和不同受体A的染料敏化剂分子相应吸收光谱的影响程度；分析分子轨道布居以及原子轨道间的相互作用；分析染料敏化剂分子轨道分布以及轨道能级；采用含时密度泛函理论模拟染料敏化剂分子受光激发过程，分析对比各敏化剂分子的紫外–可见吸收光谱并计算各敏化剂的光捕获效率；估算受光激发后染料敏化剂分子内部电子转移速率及激发态寿命；(3)电子注入性质研究采用Gaussian软件包中第一性原理方法对TiO2半导体和吸附染料敏化剂分子后半导体的结构分别进行优化；研究染料敏化剂分子吸附引起半导体结构以及导带和价带的变化；分析各染料敏化剂分子在TiO2半导体表面的吸附位、结合方式和吸附能大小，并比较各吸附结构的稳定性；估算由二硫富瓦烯基染料敏化剂分子至TiO2半导体表面的电子注入速率；(4)性能对比及筛选通过替换共轭桥π链的长度来改善染料敏化剂分子的光热稳定性，再次进行步骤(2)和(3)计算；分析对比各二硫富瓦烯基染料敏化剂分子的紫外–可见吸收光谱、分子轨道能级、电子激发路径、激发态寿命及电子注入速率性能参数，最终筛选出光电转换效率高的二...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏淑贤，邵洋，朱青，史晓凡，王伟丽，张明敏，鲁效庆，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37