二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法

摘要

本发明公开了一种二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计方法。本发明方法的特色之处在于利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD–DFT)结合Tomasi’s Polarized Continuum Model(PCM)模型研究了一系列DTF‑C_n(n不同，共轭桥π长度不同)纯有机染料敏化剂分子的理论设计、性能改良及筛选过程，通过分析对比敏化剂分子的轨道和能级信息、紫外‑可见(UV‑VIS)吸收光谱和激发态寿命、吸附构型和电子由敏化剂至半导体表面的注入速率等指标，实现对二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计。本发明提供了一种全新的材料研发形式，研发周期短、成本低，减少了材料浪费和环境污染，同时也可以节省大量人力、物力、财力，符合现阶段DSSCs研究的新目标，为二硫富瓦烯基(DTF)染料敏化剂的分子设计与开发提供了全新的思路。

主权项

一种二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法，通过量子化学计算及自然价键理论和前线分子轨道理论的分析和对比，实现二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计；所述二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法的具体实施方式分为以下4步：(1)模型构建借助GaussView图形界面构建二硫富瓦烯基染料敏化剂分子；设置计算参数，模拟气相及现实电解质溶液环境，并采用导体极化连续模型；(2)计算模拟与结果分析利用Gaussian分别对各二硫富瓦烯基染料敏化剂分子在气相和液相中的几何结构进行优化；分析溶剂效应对含有各种不同供体D、不同共轭桥π和不同受体A的染料敏化剂分子相应吸收光谱的影响程度；分析分子轨道布居以及原子轨道间的相互作用；分析染料敏化剂分子轨道分布以及轨道能级；采用含时密度泛函理论模拟染料敏化剂分子受光激发过程，分析对比各敏化剂分子的紫外–可见吸收光谱并计算各敏化剂的光捕获效率；估算受光激发后染料敏化剂分子内部电子转移速率及激发态寿命；(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和价带的变化；分析各染料敏化剂分子在TiO₂半导体表面的吸附位、结合方式和吸附能大小，并比较各吸附结构的稳定性；估算由二硫富瓦烯基染料敏化剂分子至TiO₂半导体表面的电子注入速率；(4)性能对比及筛选通过替换共轭桥π链的长度来改善染料敏化剂分子的光热稳定性，再次进行步骤(2)和(3)计算；分析对比各二硫富瓦烯基染料敏化剂分子的紫外–可见吸收光谱、分子轨道能级、电子激发路径、激发态寿命及电子注入速率性能参数，最终筛选出光电转换效率高的二硫富瓦烯基染料敏化剂。