基于第一性原理的继承性多尺度染料敏化太阳能电池数值模拟及染料设计

In the next generation of solar cell, dye-sensitized solar cell(DSSC) is an attractive candidate because of its high conversion efficiency and economic cost. In this project, we propose to develop a first-principle based inherited multiscale theoretical model after deeply investigating the fundamental processes in DSSC. This model can simulate a DSSC at microscopic,mesoscopic and macroscopic levels and predict the chemical and physical parameters of each fundamental process in DSSC. The effect on photoelectric conversion efficiency influenced by various microscopic and mesoscopic structures in DSSC can be described. With this model, we can predict the quantum conversion efficiency of a DSSC only by giving the dye structure before any experiments. Applying this theoretical model, we will screen the database of designed dyes, select those with super properties from thousands candidates, and measure conversion efficiency of synthesized ones. This project will show the guidance of theory and simulation in optoelectronic materials, discover the mechanism of solar-electricity conversion and develop new materials system with breakthrough properties.

在下一代太阳能电池中，染料敏化太阳能电池因为转化效率高、价格低廉而具有强有力的竞争力。本项目拟对染料敏化太阳能电池的基本过程展开系统深入的研究，发展出一套基于第一性原理、继承性多尺度染料敏化太阳能电池的数值模拟模型。该模型可以对染料敏化太阳能电池由微观过程到宏观过程进行全局模拟，定量化地预测电池的各个基本过程的化学和物理参数，详细地描述各种微观、介观结构比如染料分子结构、纳米结构对电池光电转化效率的影响。该模型的成功建立使我们不需要任何实验，仅依靠染料分子的结构就能预测出以该染料分子做成电池的理想光电转化效率。利用这一理论模型，我们将对所设计的染料分子库进行模拟与筛选，从上千种染料设计中挑选出性能优秀的，然后在实验上合成并表征其光电转化效率。通过本项目的研究，将发挥光电材料的理论与模拟的引领作用，揭示出染料敏化太阳能电池高效光-电转换的本质，并开发出具有革新意义的新材料体系。

染料敏化太阳能电池是常规固态光伏器件最有希望的替代者之一，其结构中的染料分子是染料敏化太阳能电池的关键组成部分。原则上，可以设计无限数量的染料分子。然而，迄今报道的染料分子只是其中的一小部分。本项目中，我们开发了一种预测模型，可以通过提供染料分子结构定量预测染料敏化太阳能电池的光电转换效率。模型的建立是基于具有继承性的多尺度模拟方法。 宏观尺度上，使用微分方程模拟电池运行状态；介观尺度上，使用蒙特卡洛方法模拟纳米晶二氧化钛光阳极结构及其中的电子传输；微观尺度上，使用量子化学方法模拟染料分子相关的物理和化学性质。描述电池运行的微分方程中所需的参数主要源自介观尺度和微观尺度模拟。通过该模型，可以对染料敏化太阳能电池由微观过程到宏观过程进行全局模拟,定量化地预测电池的各个基本过程的化学和物理参数,详细地描述各种微观、介观性质比如染料分子结构、纳米结构对电池光电转化效率的影响。通过与实验结果对比，我们验证了模型的准确性。应用该模型，我们设计并筛选出了新的锌卟啉染料分子（Y4）。相比于YD2-o-C8染料分子，在相同实验条件下，基于Y4的染料敏化太阳能电池光电转换效率提高了25%。这一工作为染料敏化太阳能电池的大规模筛选工作提供了非经验的定量预测模型。通过本项目的研究,将发挥光电材料的理论与模拟的引领作用,揭示出染料敏化太阳能电池高效光-电转换的本质,并开发出具有革新意义的新材料体系。