[发明专利]一种设计与筛选铜基联吡啶染料敏化剂的方法

摘要

本发明公开了一种设计与筛选铜基联吡啶染料敏化剂的方法。本发明方法利用密度泛函理论(DFT)对铜基联吡啶染料敏化剂分子进行结构设计与表征；利用自然价键理论(NBO)和前线分子轨道理论分析染料敏化剂分子的轨道和能级信息；利用含时密度泛函理论(TD‑DFT)研究染料敏化剂分子紫外‑可见(UV‑VIS)吸收光谱和激发态寿命；利用第一性原理优化染料敏化剂分子在半导体吸附构型，分析电子激发、转移路径；利用Tomasi's Polarized Continuum Model(PCM)模型研究溶剂效应、电子传输过程及电子注入速率。本发明缩短了新材料的研发周期，降低了研发成本，减少了材料浪费，为工业选择、设计新型铜基联吡啶染料敏化剂提供直接的理论指导，同时也可以节省大量的人力、物力和财力。

主权项

一种设计与筛选铜基联吡啶染料敏化剂的方法，通过计算模拟设计出一系列新型铜基联吡啶染料敏化剂，并利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD–DFT)研究其在染料敏化太阳能电池(DSSC)运行中的光电转换机理、电子注入半导体机理，进而从理论上筛选出性能优异的染料敏化剂，所述方法的具体实施步骤分为以下4步：(1)模型构建及基态结构优化构建一系列全新的铜基联吡啶染料敏化剂分子；采用密度泛函理论(DFT)结合选择的方法、基组对敏化剂分子在气、液相环境中的基态结构进行优化，并融入溶剂效应对计算模拟结果的影响；分析含有各种不同官能团的染料敏化剂基态分子构型的稳定性及溶剂效应引起的染料敏化剂分子结构及相应吸收光谱的变化；分析分子轨道布局以及原子轨道间的相互作用；分析染料敏化剂分子轨道形貌以及轨道能级；(2)激发态计算采用含时密度泛函理论(TD–DFT)模拟染料敏化剂分子受光激发过程；对不同染料敏化剂分子光谱进行比较分析；通过公式LHE＝1–10‑f，f代表最低垂直激发能对应的强度，对光捕获效率进行估算；优化激发态构型，计算受光激发后敏化剂分子内电子转移速率，采用含时密度泛函理论(TD–DFT)模拟激发态染料敏化剂分子的跃迁过程，根据公式T＝C3/2E2f，其中C是光速，E是荧光跃迁能量，估算受光激发后染料敏化剂寿命；(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、价带的变化；比较各种染料敏化剂分子在半导体的吸附位、结合方式、吸附能大小以确定吸附结构的稳定性；运用马库斯理论(Marcus Theory)进行估算由受光激发后铜基联吡啶染料敏化剂分子至TiO2半导体表面的电子注入速率；(4)性能对比及筛选通过添加适当饱和支链来提高染料敏化剂分子的光、热稳定性，并对已优化染料敏化剂分子添加或替换多种不同的官能团再次进行步骤(2)、(3)计算；对比各铜基联吡啶染料敏化剂分子的结构稳定性、光电转换效率、激发态寿命及电子传输速率参数，最终筛选出性能优异的染料敏化剂。