三苯胺类染料用于染料敏化太阳能电池光敏剂的理论研究

为了揭示三苯胺分子为敏化剂的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的物理机制,采用含时密度泛函理论(TDDFT)方法计算了三苯胺染料分子1、2、3的紫外-可见吸收光谱和能级结构。结果表明,在电子给体和电子受体不变的情况下,改变π桥结构将明显改变染料的光谱性质。分子3的紫外-可见吸收光谱比分子1、2的吸收光谱有明显的红移。分子2、3的摩尔吸光系数也明显高于分子1的摩尔吸光系数,因此具有更高的捕获太阳光的能力。计算结果还表明,有机染料的合成需要综合考虑染料的吸收光谱特性、染料能级与半导体电极电位及氧化还原电解液电位的匹配及电子注入等内在因素,从而提高DSSCs的能量转化效率。     

基于YD2-o-C8的高效卟啉染料敏化剂的研究进展

金属卟啉较强的配位能力和可以灵活调节的结构使其在染料敏化太阳能电池(DSSC)的敏化剂研究中受到广泛关注,其中锌卟啉染料敏化剂YD2-o-C8因具有较高的摩尔吸光系数和环境友好等特点而成为研究热点.但YD2-o-C8及其衍生物在应用中仍然存在一些不足:(1)羧基锚定基团易脱附,使染料不稳定;(2)染料敏化剂在近红外光区较低的吸收强度使光电转换性能降低,限制了其大规模的生产和应用;(3)易自聚的染料敏化剂缩短染料敏化太阳能电池的使用寿命,降低光电转换效率.近年来以锌卟啉染料敏化剂YD2-o-C8为基础,通过改变电子供体的结构、π共轭桥的结构和电子受体的结构合成了众多高性能的D-π-A结构的衍生卟啉染料敏化剂.通过改变电子供体基团出现了WW-6、NCH3-YD2等染料敏化剂;通过改变π共轭桥出现了YD2-II-CA、PorCND1A1等染料敏化剂;通过改变电子受体锚定基团出现了YD2-o-C8T、MH1等染料敏化剂.这些染料敏化剂分子拓展了B带和Q带的吸收范围,提升了近红外光区的吸收强度,进而提升了染料敏化太阳能电池的光电转换效率.甚至有的染料敏化剂在稳定性和使用寿命等方面超越了YD2-o-C8,使染料敏化剂家族的发展焕然一新.本文综述了D-π-A构型的锌卟啉染料敏化剂YD2-o-C8及其衍生物在实验及理论方面的研究进展,重点介绍了YD2-o-C8在电子供体基团、π共轭桥、电子受体锚定基团三方面的改进及其对光电转换性能的影响,并展望了卟啉染料敏化剂的发展前景.     

纯有机染料敏化剂在染料敏化太阳能电池中的应用及研究进展

染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池,因具有低成本、易制备、环保等优点而引起全世界的广泛关注。介绍了染料敏化太阳能电池的发展历史、基本结构及工作原理,重点综述了染料敏化剂材料的分类和发展状况。染料敏化剂可分为纯有机染料和配合物染料两大类,纯有机染料敏化剂大致有三苯胺、香豆素、吲哚、花箐和多烯等几类。设计和开发新型纯有机染料敏化剂材料是提高器件光电转化效率较为有效的方法,而多种染料敏化剂协同敏化电池的短路电流密度(J_(sc))和开路电压(V_(oc))比单一的染料敏化电池更大,因此多种染料共敏化也成为进一步提高染料敏化太阳能电池效率比较可行的途径。最后,展望了有机染料敏化剂的发展前景。     

染料敏化太阳电池中有机染料敏化剂的研究进展

染料敏化太阳电池(DSC电池)近年来已经引起国内外众多学者的重视,越来越多的研究者对此表现出极大的兴趣。染料敏化剂是染料敏化太阳电池的光电转化效率(IPCE)和寿命最关键的因素。简要介绍了DSC电池结构及工作原理,主要是针对近年来很有前景的香豆素类、半菁类、多烯类、吲哚类及其他很有发展潜力的有机染料敏化剂研究所取得的进展进行了综述。为新染料的设计与合成,为提高电池的光电转化效率和稳定性提出了值得进一步深入研究的问题。     

一类新型的D-π-A型偶极分子的合成及光学性能研究

以对甲基苯甲酸(p-methylbenzoic acid,简写为PMBA)为骨架,通过霍纳尔-沃兹沃思-埃蒙斯(HWE)反应合成了7个电子给体-π-电子受体(D-π-A)型有机双光子吸收(TPA)材料分子,化合物结构用核磁共振氢谱(1 H NMR)和质谱(MS-EI)进行了表征和分析;光学性质用紫外-可见(UV-Vis)光谱、荧光(PL)光谱进行了研究,结果发现,在5.0×10-6 mmol/L二氯甲烷溶剂中,各化合物的紫外最大吸收波长在368～396nm之间,而最大发射峰荧光发射波长位于489～525nm之间,发出较强的蓝光。是一类具有潜在应用的新型有机发光材料分子。     

吩噁嗪类染料敏化太阳能电池的研究进展

染料敏化太阳能电池(DSSCs)因生产成本低、制造工艺简单、环境友好等优点,受到了广泛关注。染料是染料敏化太阳能电池的核心,对能量转化效率(PCE)、光捕捉性能和电池稳定性有重要的影响。其中,纯有机染料因其具有较高的摩尔吸光系数、良好的结构可修饰性能,被广泛应用于DSSCs领域。吩噁嗪是一种强供电子单元,其非平面的蝴蝶型分子结构可有效抑制染料分子聚集,减少暗电流,从而提高器件的光电转换效率(IPCE),在DSSCs中有着广泛应用。从构效关系的角度出发,结合电子给体(D)、共轭桥连单元(π)和受体单元(A)的结构分类总结分析,对影响电性参数的原因进行了分析和探讨,并对未来的研究方向进行了展望。     

基于共轭有机硼化合物的多功能发光材料的分子设计

设计了6种可作有机发光二极管(OLEDs)发光材料和空穴传输材料的π-共轭有机硼化合物。利用密度泛函(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了它们的前线分子轨道、吸收光谱、荧光光谱以及电荷传输性质。通过前线分子轨道分析发现,所设计化合物的吸收和荧光发射导致的电子跃迁具有明显的分子内电荷转移特性。引入不同的π-共轭桥影响化合物的前线分子轨道能量、能隙、光学和电荷传输性质。同时,预测了所设计化合物的电子和空穴的迁移率。研究结果表明,所设计的π-共轭有机硼化合物有望成为性能良好的有机发光二极管的发光材料和空穴传输材料。     

基于咔唑供体的敏化染料的合成及其光电性质

以咔唑为供体,设计并合成了具有D-A-π-A或D-π-A结构的有机敏化染料2-氰基-3-{5-[7-(9-己基咔唑-3-基)-苯并[1,2,5]噻二唑-4-基]-2-噻吩基}-丙烯酸(CVBTC)和2-氰基-3-{5-[7-(9-己基咔唑-3-基)]-2-噻吩基}-丙烯酸(CVHTC)。研究了结构变化对敏化染料的光物理性质、电化学性质和光伏性能的影响。研究表明,在染料CVHTC的D-π-A结构链上插入受体苯并噻二唑单元,得到的具有D-A-π-A结构的染料CVBTC的共轭体系变大,带隙变小,光吸收性能得到明显提升。CVBTC和CVHTC的HOMO能级分别为-5.24和-5.52eV,LUMO能级分别为-3.20和-2.88eV,均能与常见电解质I~-/I_3~-(-4.60eV vs vacuum)以及TiO_2导带能级(-4.40eV vs vacuum)相匹配,都可用作DSSCs的敏化染料。并且与CVHTC相比,具有D-A-π-A结构CVBTC,因苯并噻二唑单元的引入,其光电池的短路电流和光电转换效率均得到明显提升。     

基于PC_(84)BM作为有机太阳能电池高效受体材料的设计与应用

在B3LYP/6-31G*水平下,采用密度泛函理论对基于6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PC_(84)BM)的结构所设计出的受体分子桥连甲氧基-苯基-C_(84)-衍生富勒烯(PC_(84)POM)的几何结构和电子性质进行了计算研究。通过对比分析结构以及核独立化学位移值,发现分子基团的引入对其几乎不产生影响,这是由于碳笼较大所致。但是对所设计分子进行的重组能、离子化能以及电子亲和势的研究结果表明:改良后的受体分子是高效的潜在导电材料。     

吩噻嗪基染料的结构改性及光伏性能

通过在吩噻嗪类基础染料PTZ-2的D单元上引入N-苯基吩噻嗪单元,构成D-D-π-A型染料分子PTZ-3。相比PTZ-2染料,PTZ-3染料的吸收光谱有所拓宽,其给电子性能也略有提升。通过DSSC器件光伏性能测试,PTZ-3的光电转换效率为5.5%,高于PTZ-2的4.9%。这一切都归因于N-苯基吩噻嗪单元的引入增强了光捕获性能与量子转换效率,同时末端的刚性结构在一定程度上起到了抑制暗电流的作用。     

染料敏化太阳能电池的非金属有机敏化剂

染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的太阳能电池,综述了DSSC的非金属有机染料敏化剂的研究现状,分析了各类敏化剂的结构与电池的能量转换效率的关系,并提出非金属有机染料结构的设计思路。     

染料敏化太阳能电池敏化剂材料研究进展

染料敏化太阳电池(DSCs)是一种新型光伏电池,在充满前景的太阳能发电市场中,实现染料敏化太阳能电池商品化的最重要的前提之一就是提高能量转换效率.介绍了染料敏化太阳能电池的结构与基本原理,在影响DSCs能量转换效率的三大因素中,重点综述了通过染料敏化剂材料的设计和开发来提高电池光电流.介绍了钌多吡啶配合物、非金属有机染料、有机金属染料(酞菁锌和卟啉锌染料)的设计开发及其如何增加电池光吸收效率、降低染料分子在TiO2半导体材料上的聚集及电子复合,提高电池光电流.同时介绍了现阶段通过共敏化剂方法提高DSCs的光电能量转换效率的进展.最后,对于进一步提高能量转化效率所面临的挑战,以及DSCs的商品化前景进行了展望.     

π电子共轭键结构对材料非线性光学性能影响研究

合成了具有不同π电子共轭键3个新的有机光学材料4-(吡啶-4-乙烯),4'-(N,N-二羟乙基氨基)二乙烯苯(a),N-((4-(N,N-二羟乙基氨基)-苯亚甲基)-4-(吡啶-4-乙烯)苯胺(b)和4-(吡啶-4-乙烯),4'-(N,N-二羟乙基氨基)偶氮苯(c),使用脉宽8ns波长532nm调Q倍频ns/ps Nd:YAG脉冲激光系统测试了它们的非线性光学性能,研究了分子结构与非线性光学性能之间的关系.结果显示这些化合物具有大的三阶非线性光学系数,这可能来源于它们长的D-π-A共轭电子结构;以N=N双键为共轭键的化合物的非线性光学性能优于以C=N或G=C双键为共轭键的化合物.     

含新型吲哚衍生结构聚合物的制备及海洋防污应用研究

以5-溴-1-氢吲哚为起始原料,经Friedel-Crafts反应, 设计合成了环境友好型防污剂--N-(5-溴-1H-吲哚-3-甲基)丙烯酰胺(NBIAM), 产率可达76.7%.研究了NBIAM与丙烯酸类单体的聚合反应, 得到了结构新颖的具有自抛光性能的丙烯酸铜聚合物(SP-1),并与普通丙烯酸铜聚合物(SP-2) 的物理性能进行了比较. 海上挂板实验结果表明, SP-1及其防污涂料SPC-1在防止大型污损生物附着方面显示了优异的性能.     

染料敏化太阳能电池天然敏化剂的研究进展

染料敏化剂是影响染料敏化太阳能电池(DSC)性能的重要因素。介绍了染料敏化剂的分类及获得高效、稳定的电池时染料敏化剂需要满足的条件,根据天然染料敏化剂的分类,分别介绍了叶绿素类、花青素类、类胡萝卜素类以及单宁酸等天然染料作为DSC敏化剂的研究进展及其区别,指出对天然染料敏化剂的研究有利于降低染料敏化太阳能电池的生产成本并促进其工业化发展。     

Au(111)表面DCDPP分子π-π堆叠的自组装特性研究

为了研究存在π-π堆叠对自组装结构的调控行为,本文利用超高真空扫描隧道显微镜研究了4,6,-二氯-2,5,-联苯嘧啶(DCDPP)分子在Au(111)上的自组装行为。DCDPP分子中旋转的5-苯环使分子中间能够存在π-π相互作用。在π堆叠,氢键等多种分子相互作用的竞争下,低覆盖度时,DCDPP在Au(111)上会形成一种链状结构和一种二维有序结构。而高覆盖度下,DCDPP将通过更高密度的自组装结构来克服高覆盖度带来的应力。这种由于不同分子间作用力和覆盖度导致不同的自主装结构的研究,对于有机电子器件的制备具有指导意义。     

新型噁二唑电子传输材料的分子设计合成、结构与性能关系研究

随着有机电致发光器件(OELD)的发展,有机电子传输材料研究逐渐引起人们广泛兴趣.制备了3种不同长共轭结构的新型2,5-二芳基-1,3,4-噁二唑类衍生物(4a～4c),以FTIR、1HNMR、TGA、C-V、UV-vis、FL对化合物的结构与性能进行了表征和研究.结果显示,噁二唑类衍生物分子结构对其热稳定性和分子的能级结构明显产生影响,分子中π电子共轭程度提高可有效地提高电子亲和势,分子极性和分子共轭度提高均有利于提高噁二唑衍生物(4c)的热稳定性.     

芳烃体系分子导线的理论研究

在第一性原理的基础上,对芳烃体系与金表面形成的分子线的电学特性进行了理论研究,利用密度泛函理论计算了分子及扩展分子的电子结构;定量计算了分子与金表面的相互作用能和电子跃迁谱;利用弹性散射格林函数法研究了分子线的伏-安特性.计算结果表明:HOMO和LUMO间的禁带宽度、π电子数目、分子与金表面的相互作用以及分子轨道的扩展性等因素都将影响电子在分子线内的输运特性.     

两种新型咔唑类双光子光聚合引发剂的合成与光学性质

报道了两种新型的咔唑类双光子光聚合引发剂,3,6-双[2-（4-吡啶基）乙烯基]-9-苯基咔唑（1） 和 3,6-双[2-（2-吡啶基）乙烯基]-9-苯基咔唑（2）,它们是通过钯催化的Heck偶连反应合成得到,并用元素分析,红外光谱,核磁共振氢谱和电喷雾电离质谱等对它们进行了全面的表征.这两个A-π-D-π-A结构的咔唑衍生物具有很好的单光子和双光子荧光行为,我们也详细研究了它们的溶剂效应和作为双光子引发剂用于微结构的制备,并讨论了它们的引发聚合的机理.     

基于π-π/H-键协同作用制备含芘小分子增强高韧性石墨烯纸

轻质高强且具备高韧性的石墨烯组装材料在抗冲击防护领域有着潜在的应用价值.在这项工作中,我们通过在还原氧化石墨烯层间界面交联1-氨基芘AP和1-芘丁酸PB共轭小分子,可以获得具有高导电、高韧性的超强复合石墨烯纸(AP/PB-GPs).结果表明,超过10μm厚度的复合石墨烯纸具有超高的平均韧性(~69.67±15.3 MJ m^-3),同时抗拉伸强度接近1 GPa;尤其在抗冲击性能方面,在高速弹道冲击速度下,仍然可以获得优异的比穿透能量吸收值(~0.17 MJ kg^-1).详细的界面和结构分析表明,界面增强是由相邻石墨烯层间与共轭分子之间的π-π相互作用和氢键连接共同决定的.尤其是石墨烯纳米片内的孔洞及边缘缺陷更有利于共轭小分子充分的吸附,这必然会使界面结合最大化,在连续高的加载应力下能够有效促进裂纹的偏转和塑性变形.密度泛函理论(DFT)模拟表明,石墨烯纳米片边缘的–COOH极性官能团与AP/PB分子表面的–NH₂、–COOH之间的耦合对氢键网络的形成起着关键作用.