染料敏化太阳能电池异质界面电子转移机理的理论研究

While the atomistic modeling of the dynamics of interogeneous electron transfer at interface is undoubtedly essential for the rationalization of DSSC operation, the ultimate goal is to improve the overall solar to current efficiency. Combined with quantum mechanics and molecular dynamic approaches, this project aims to study how the following aspects would affect the solar to current efficiency of DSSC, a) electronic structure of interface, b) lifetime of excited state, c) the carrier mobility, d) electron injection time, e) electron recombination and, f) electron transfer dynamics at the interface. With the consideration of environmental factors, numerical model would be set up for screening of new dyes with broader and valid absorption band, favorable electron injection and transfer properties, finally paving the way for daily application of DSSC. Based upon the experience on electronic structure property of transition metal complexes, quantum study of charge transfer mechanics between sensitized material and semiconductor, and CUDA programming skill, effort would be devoted to replace the time-consuming module in NAMD and GAMESS-US with highly paralleled CUDA scratch code via CPU/GPU hybrid programming to accelerate the molecular dynamic simulation as much as possible. Theoretical guidance for the design of new DSSC with higher solar to current efficiency would be provided.

研究DSSC中异质界面电子转移机制是提升DSSC光电转化效率的根本出发点。本项目以过渡金属钌配合物染料为出发点，研究DSSC中染料分子与TiO2纳米晶之间异质界面电子转移动力学机制，从根本上探究提升DSSC效率的可能方案。综合应用量子力学，分子动力学等计算化学手段，从理论层面揭示复杂体系的电子结构、激发态寿命、载流子迁移率、电子入射时间以及电子重组等与DSSC光电转化效率之间的制约关系。结合环境因素的考量，建立数学模型，以期在分子水平设计出更有利于光吸收、电子注入和传输的DSSC,为DSSC最终走向实用化奠定坚实的基础。以自身CUDA编程为基础，结合本课题组在过渡金属激发态电子结构性质、光敏染料与半导体之间电荷转移过程的量子理论研究的经验积累，逐步将GAMESS-US和NAMD中的耗时模块代码替换为CUDA代码，实现CPU/GPU混合编程，加速计算，预期可以降低实验开发成本并缩短实验周期。

在项目实施阶段，围绕“提升染料敏化太阳能电池光电转化效率”这一关键科学问题，开展了以下诸方面的研究。调控染料分子激发态性质的调控，优化染料分子光谱性质，提升光捕获和吸收利用效率。对于金属钌配合物染料分子，采用配体修饰方案进行改性；对于卟啉类的染料分子，采用具有推拉电子的辅助配体进行修饰，对拓宽吸收光谱和强化电荷传输性质都有利；对于有机体系的染料分子，主要采用共轭修饰的方案，分别对D-π-A,D-A-π-A,D-π-A-A体系，从光捕获效率，电荷注入驱动力大小，电荷收集效率，开路电压和短路电流方面进行了评估。染料-半导体界面是DSSC中电荷/电子传输的重要环节，在考虑计算资源允许的条件下，先后使用(TiO2)5和大到(TiO2)38的半导体模型，分别研究了金属钌染料和有机染料在半导体界面上的电子注入驱动力，染料分子光捕获效率，开路电压等参数，半定型的评估了不同优化方案对最终的DSSC效率的影响。为模拟在真实DSSC中，因电荷聚集而诱发的电场对染料分子性能参数的影响，我们选用具有代表性的金属钌染料体系为研究对象，研究了定域电场对金属钌染料分子的光吸收效率，电荷注入驱动力，电荷传输能力的影响，并通过钨掺杂半导体，探讨了半导体缺陷对染料分子光谱性质以及其他DSSC参数的影响。染料分子堆积或聚集也可能对DSSC的性能带来不利的影响。当前，我们先期探讨了平面形和碗形有机分子的片层之间的弱相互作用以及堆积或者聚集对电荷传输性质的影响，下一步将会进一步研究染料分子在半导体界面上的不同堆积形态对电荷传输等性质的影响。