染料敏化太阳能电池中染料/半导体界面电子转移过程的理论探讨和染料设计

Recently, organic solar cell has become a research focus due to their merits,such as low cost, green enviromental protection,easy fabrication and so on. However, lower photoelectric conversion efficiency (PCE) of the organic solar cell, in comparison with silicon solar cell, obstruct their widely application. Many factors influence the PCE and many mechanisms are unclear now, thus enhancing the PCE and investigating the mechanism become an important research field. In this program, we will try to investigate the electron transfer process on dye/semiconductor interface in dye-sensitized solar cell (DSC) employing the density functional theory and Molecular Dynamics simulation. We will try to establish a reasonable theoretical model to describle accurately the electron transfer, recombination, transport process on the dye/semiconductor interface. The mechanism of electron transfer on interface will be elucidated, and the relationship among the electron dynamic, the structure property and the combination of dye and semiconductor on interface will be constructed. Meanwhile, based on the theoretical study, we will also design and sythesis new high-performance dyes and try to prepare the DSC device models with high performance.

有机太阳能电池因其成本低廉、绿色环保、易大规模生产等优点成为人们研究的热点，但当前较低的光电转换效率制约了其广泛应用。由于光电转换效率与诸多因素有关，其中很多机制在实验和理论上还不十分明确。因此，提高光电转换效率、探讨其机理成为重要研究课题。本项目拟采用密度泛函理论结合动力学模拟方法，对染料敏化太阳能电池中染料/半导体界面处的电子转移过程进行探讨。尝试建立合理的理论模型，对染料/半导体界面处电荷转移、复合和传输的过程进行较全面描述，阐明界面处电子转移的机制，构建界面处电子动力学与材料结构及界面结合的关系，进而设计合成高效的染料分子，并以理论为基础制备高性能染料敏化太阳能电池模型器件。

日益加重的雾霾天气使人们越来越认识到传统能源的使用所带来的严重危害，寻找并有效利用清洁可再生能源成为当代的一个追求。而有机染料敏化太阳能电池以其成本低廉、绿色环保、易大规模生产等优点近些年来掀起了一个研究热潮。虽然有机染料敏化太阳能电池的最高光电转换效率记录不断被刷新，但近年来增速比较缓慢，目前维持在13%左右。因此，相比于无机硅等其它太阳能电池的效率，有机染料敏化太阳能电池较低的光电转换效率仍然是制约其广泛应用的一个重要因素。有机染料敏化太阳能电池的光电转换效率与很多因素相关，相应电子转移机制在实验和理论上还不明确。因此，提高光电转换效率、探讨其机理成为重要研究课题。本项目按照项目计划书内容，首先从染料/半导体界面计算模型和计算方法上进行了改善，半导体计算模型从最初采用单分子和小团簇发展到中型团簇，选择了能够很好地模拟TiO2半导体性质的计算模型；其次调查了不同染料分子和与TiO2 半导体材料的界面电子动力学过程，对电子从染料到半导体的电子注入过程进行了详细考察，对电子注入速率和时间进行了定量计算，也对注入到半导体内的电子与染料、电解质的复合过程进行了理论模拟与计算，对决定电池效率的相关参数（开路电压和短路电流）进行了定量和半定量的计算，对染料电池的效率进行了综合评价；最后我们基于一些优秀的敏化染料(如:C219、SM315、C259等)理论设计了高性能染料，并预测了它们的电池性能，筛选出了多种具有潜在应用价值的高性能敏化染料。在本项目的支持下，共发表SCI论文29篇（其中多篇论文成为高被引论文），学位论文7篇，培养优秀硕士5名和博士2名，设计高性能有机染料15个，超额完成项目申请书中的预期成果。因此，本项目的执行过程中不但清晰了染料/半导体界面处的电子动力学过程，还对影响电池光电转换效率的多种参数进行了计算与综合考察，并设计出了多种高性能的染料分子，为染料敏化太阳能电池的发展与改善提供了很好的理论支持。