染料敏化太阳电池复杂界面的理论和实验研究

本项目针对近年来染料敏化太阳电池新材料研发主要依赖于经验试错法、界面电荷转移机理不甚清晰、器件性能提升缓慢这一状况，拟基于密度泛函理论及含时密度泛函理论，结合实验吸收/发射光谱探测，通过合理泛函与基组选择，模拟染料/电解质/半导体薄膜组装体界面电子结构，阐明不同能级结构的染料和电解质关键元件对染料/电解质/半导体薄膜组装体界面电子结构的影响规律及微观起源，进而通过从头算分子动力学模拟，系统的时间分辨光谱和物理电子测量，揭示染料/电解质/半导体界面电荷转移动力学与关键材料之间的内在联系，为高性能材料设计与器件优化提供重要的理论依据，推动纳米能源的快速发展。

针对目前染料敏化太阳电池中原子分子层次电子结构及电荷转移动力学认识不甚清晰，无法实现染料分子结构和器件光伏参数之间的理性关联的状况，我们通过筛选出适合长程电子离域系统光电性质计算的理论模型，结合实验电化学测量实现了有机给受体染料的理性设计与开发，获得了有机染料敏化太阳电池性能的重大突破。通过染料在半导体纳晶表面组装的微结构表征，结合理论模拟与时间分辨光谱及时间分辨光电技术，揭示了染料分子结构及染色溶剂等关键元件依赖的界面复杂多通道电荷转移动力学规律及其微观起源。初步建立了染料分子结构-组装体微纳特征-电荷转移动力学-器件光伏参数之间的内在关联机制，为进一步高性能染料敏化太阳电池的理性设计提供了重要的科学参考。