注册 English

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究

陈喜明 ,  贾春阳 ,  万中全 ,  姚小军

downloadPDF
引用本文: 陈喜明, 贾春阳, 万中全, 姚小军. 四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究[J]. 物理化学学报, 2014, 30(2): 273-280. doi: 10.3866/PKU.WHXB201311262 shu
Citation:  CHEN Xi-Ming, JIA Chun-Yang, WAN Zhong-Quan, YAO Xiao-Jun. Theoretical Investigations of Tetrathiafulvalene Derivative as Electron Donor in Organic Dye for Dye-Sensitized Solar Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(2): 273-280. doi: 10.3866/PKU.WHXB201311262 shu

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21272033)，电子薄膜与集成器件国家重点实验室创新基金(CXJJ201104)以及北京分子科学国家实验室(筹)开放基金资助项目 (21272033)，电子薄膜与集成器件国家重点实验室创新基金(CXJJ201104)以及北京分子科学国家实验室(筹)

摘要:

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响，以咔唑染料Dye 1 为原型，引入TTF基团作为电子给体，设计了咔唑染料Dye 2. 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO2)9后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱，采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌. 结果发现：在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移；最为重要的是，TTF 基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力. 所有的计算结果表明，TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.

English

    1. [1]

      (1) O′Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737. doi: 10.1038/353737a0

      (1) O′Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737. doi: 10.1038/353737a0

    2. [2]

      (2) Lee, H. J.; Leventis, H. C.; Haque, S. A.; Torres, T.; Grätzel, M.;Nazeeruddin, M. K. J. Power Sources 2011, 196, 596. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.06.096(2) Lee, H. J.; Leventis, H. C.; Haque, S. A.; Torres, T.; Grätzel, M.;Nazeeruddin, M. K. J. Power Sources 2011, 196, 596. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.06.096

    3. [3]

      (3) Clifford, J. N.; Martinez-Ferrero, E.; Viterisi, A.; Palomares, E.Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1635. doi: 10.1039/b920664g(3) Clifford, J. N.; Martinez-Ferrero, E.; Viterisi, A.; Palomares, E.Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1635. doi: 10.1039/b920664g

    4. [4]

      (4) Yella, A.; Lee, H.W.; Tsao, H. N.; Yi, C. Y.; Chandiran, A. K.;Nazeeruddin, M. K.; Diau, E.W. G.; Yeh, C. Y.; Zakeeruddin, S.M.; Grätzel, M. Science 2011, 334, 629. doi: 10.1126/science.1209688(4) Yella, A.; Lee, H.W.; Tsao, H. N.; Yi, C. Y.; Chandiran, A. K.;Nazeeruddin, M. K.; Diau, E.W. G.; Yeh, C. Y.; Zakeeruddin, S.M.; Grätzel, M. Science 2011, 334, 629. doi: 10.1126/science.1209688

    5. [5]

      (5) Wang, X. F.; Tamiaki, H. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 94. doi: 10.1039/b918464c(5) Wang, X. F.; Tamiaki, H. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 94. doi: 10.1039/b918464c

    6. [6]

      (6) Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L. C.; Kloo, L.; Pettersson, H.Chem. Rev. 2010, 110, 6595. doi: 10.1021/cr900356p(6) Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L. C.; Kloo, L.; Pettersson, H.Chem. Rev. 2010, 110, 6595. doi: 10.1021/cr900356p

    7. [7]

      (7) Mishra, A.; Fischer, M. K. R.; Bäuerle, P. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 121, 2510. doi: 10.1002/anie.200804709(7) Mishra, A.; Fischer, M. K. R.; Bäuerle, P. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 121, 2510. doi: 10.1002/anie.200804709

    8. [8]

      (8) Liang, M.; Lu, M.;Wang, Q. L.; Chen,W. Y.; Han, H. Y.; Sun,Z.; Xue, S. J. Power Sources 2011, 196, 1657. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.055(8) Liang, M.; Lu, M.;Wang, Q. L.; Chen,W. Y.; Han, H. Y.; Sun,Z.; Xue, S. J. Power Sources 2011, 196, 1657. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.055

    9. [9]

      (9) Kandavelu, V.; Huang, H. S.; Jian, J. L.; Yang, T. C. K.;Wang,K. L.; Huang, S. T. Sol. Energy 2009, 83, 574. doi: 10.1016/j.solener.2008.10.002(9) Kandavelu, V.; Huang, H. S.; Jian, J. L.; Yang, T. C. K.;Wang,K. L.; Huang, S. T. Sol. Energy 2009, 83, 574. doi: 10.1016/j.solener.2008.10.002

    10. [10]

      (10) Matsui, M.; Asamura, Y.; Kubota, Y.; Funabiki, K.; Jin, J.;Yoshida, T.; Miura, H. Tetrahedron 2010, 66, 7405. doi: 10.1016/j.tet.2010.07.017(10) Matsui, M.; Asamura, Y.; Kubota, Y.; Funabiki, K.; Jin, J.;Yoshida, T.; Miura, H. Tetrahedron 2010, 66, 7405. doi: 10.1016/j.tet.2010.07.017

    11. [11]

      (11) Nishida, S.; Morita, Y.; Fukui, K.; Sato, K.; Shiomi, D.; Takui,T.; Nakasuji, K. Angew. Chem. Int. Edit. 2005, 44, 7277. doi: 10.1002/anie.200502180(11) Nishida, S.; Morita, Y.; Fukui, K.; Sato, K.; Shiomi, D.; Takui,T.; Nakasuji, K. Angew. Chem. Int. Edit. 2005, 44, 7277. doi: 10.1002/anie.200502180

    12. [12]

      (12) Olaya, A. J.; Ge, P.; nthier, J. F.; Pechy, P.; Corminboeuf, C.;Girault, H. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12115. doi: 10.1021/ja203251u(12) Olaya, A. J.; Ge, P.; nthier, J. F.; Pechy, P.; Corminboeuf, C.;Girault, H. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12115. doi: 10.1021/ja203251u

    13. [13]

      (13) Jia, C.; Liu, S. X.; Ambrus, C.; Neels, A.; Labat, G.; Decurtins,S. Inorg. Chem. 2006, 45, 3152. doi: 10.1021/ic060056f(13) Jia, C.; Liu, S. X.; Ambrus, C.; Neels, A.; Labat, G.; Decurtins,S. Inorg. Chem. 2006, 45, 3152. doi: 10.1021/ic060056f

    14. [14]

      (14) Jia, C.; Liu, S. X.; Tanner, C.; Leiggener, C.; Neels, A.;Sanguinet, L.; Levillain, E.; Leutwyler, S.; Hauser, A.;Decurtins, S. Chem. Eur. J. 2007, 13, 3804. doi: 10.1002/chem.200601561(14) Jia, C.; Liu, S. X.; Tanner, C.; Leiggener, C.; Neels, A.;Sanguinet, L.; Levillain, E.; Leutwyler, S.; Hauser, A.;Decurtins, S. Chem. Eur. J. 2007, 13, 3804. doi: 10.1002/chem.200601561

    15. [15]

      (15) Jia, C. Y.; Zhang, D. Q.; Xu, Y.; Xu,W.; Zhu, D. Syn. Met. 2003,137, 979. doi: 10.1016/S0379-6779(02)00974-8(15) Jia, C. Y.; Zhang, D. Q.; Xu, Y.; Xu,W.; Zhu, D. Syn. Met. 2003,137, 979. doi: 10.1016/S0379-6779(02)00974-8

    16. [16]

      (16) Chen, Y.; Liu,W.; Jin, J. S.; Liu, B.; Zou, Z. G.; Zuo, J. L.; You,X. Z. J. Organomet. Chem. 2009, 694, 763. doi: 10.1016/j.jorganchem.2008.12.018(16) Chen, Y.; Liu,W.; Jin, J. S.; Liu, B.; Zou, Z. G.; Zuo, J. L.; You,X. Z. J. Organomet. Chem. 2009, 694, 763. doi: 10.1016/j.jorganchem.2008.12.018

    17. [17]

      (17) McCall, K. L.; Morandeira, A.; Durrant, J.; Yellowlees, L. J.;Robertson, N. Dalton Tran. 2010, 39, 4138. doi: 10.1039/b924660f(17) McCall, K. L.; Morandeira, A.; Durrant, J.; Yellowlees, L. J.;Robertson, N. Dalton Tran. 2010, 39, 4138. doi: 10.1039/b924660f

    18. [18]

      (18) Wenger, S.; Bouit, P. A.; Chen, Q.; Teuscher, J.; Censo, D. D.;Humphry-Baker, R.; Moser, J. E.; Delgado, J. L.; Martín, N.;Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132,5164. doi: 10.1021/ja909291h(18) Wenger, S.; Bouit, P. A.; Chen, Q.; Teuscher, J.; Censo, D. D.;Humphry-Baker, R.; Moser, J. E.; Delgado, J. L.; Martín, N.;Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132,5164. doi: 10.1021/ja909291h

    19. [19]

      (19) Sanchez-de-Armas, R.; San Miguel, M. A.; Oviedo, J.; Sanz, J.F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 225. doi: 10.1039/c1cp22058f(19) Sanchez-de-Armas, R.; San Miguel, M. A.; Oviedo, J.; Sanz, J.F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 225. doi: 10.1039/c1cp22058f

    20. [20]

      (20) De Angelis, F.; Fantacci, S.; Gebauer, R. J. Phys. Chem. Lett.2011, 2, 813. doi: 10.1021/jz200191u(20) De Angelis, F.; Fantacci, S.; Gebauer, R. J. Phys. Chem. Lett.2011, 2, 813. doi: 10.1021/jz200191u

    21. [21]

      (21) Zhan,W. S.; Pan, S.; Li, Y. Z.; Chen, M. D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 2087. [詹卫伸, 潘石, 李源作, 陈茂笃. 物理化学学报, 2009, 25, 2087.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090925(21) Zhan,W. S.; Pan, S.; Li, Y. Z.; Chen, M. D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 2087. [詹卫伸, 潘石, 李源作, 陈茂笃. 物理化学学报, 2009, 25, 2087.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090925

    22. [22]

      (22) Zhan,W. S.; Li, R.; Pan, S.; Guo, Y. N.; Zhang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 255. [詹卫伸, 李睿, 潘石,郭英楠, 张毅. 物理化学学报, 2013, 29, 255.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201211221(22) Zhan,W. S.; Li, R.; Pan, S.; Guo, Y. N.; Zhang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 255. [詹卫伸, 李睿, 潘石,郭英楠, 张毅. 物理化学学报, 2013, 29, 255.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201211221

    23. [23]

      (23) Cao, Z. F.; Chen, Q. B.; Lu, Y. X.; Liu, H. L.; Hu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1085. [曹振锋, 陈启斌, 卢运祥,刘洪来, 胡英. 物理化学学报, 2012, 28, 1085.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203024(23) Cao, Z. F.; Chen, Q. B.; Lu, Y. X.; Liu, H. L.; Hu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1085. [曹振锋, 陈启斌, 卢运祥,刘洪来, 胡英. 物理化学学报, 2012, 28, 1085.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203024

    24. [24]

      (24) Zhang, J.; Li, H. B.; Sun, S. L.; Geng, Y.;Wu, Y.; Su, Z. M. J. Mater. Chem. 2012, 22, 568. doi: 10.1039/c1jm13028e(24) Zhang, J.; Li, H. B.; Sun, S. L.; Geng, Y.;Wu, Y.; Su, Z. M. J. Mater. Chem. 2012, 22, 568. doi: 10.1039/c1jm13028e

    25. [25]

      (25) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09,Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.(25) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09,Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.

    26. [26]

      (26) Delley, B. J. Chem. Phys. 2000, 113, 7756. doi: 10.1063/1.1316015(26) Delley, B. J. Chem. Phys. 2000, 113, 7756. doi: 10.1063/1.1316015

    27. [27]

      (27) Delley, B. J. Chem. Phys. 1990, 92, 508. doi: 10.1063/1.458452(27) Delley, B. J. Chem. Phys. 1990, 92, 508. doi: 10.1063/1.458452

    28. [28]

      (28) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372. doi: 10.1063/1.464304(28) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372. doi: 10.1063/1.464304

    29. [29]

      (29) Sanchez-de-Armas, R.; San-Miguel, M. A.; Oviedo, J.;Marquez, A.; Sanz, J. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13,1506. doi: 10.1039/c0cp00906g(29) Sanchez-de-Armas, R.; San-Miguel, M. A.; Oviedo, J.;Marquez, A.; Sanz, J. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13,1506. doi: 10.1039/c0cp00906g

    30. [30]

      (30) Sanchez-de-Armas, R. O.; Oviedo Lopez, J.; San-Miguel, M.A.; Sanz, J. F.; Ordejón, P.; Pruneda, M. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 2856. doi: 10.1021/ct100289t(30) Sanchez-de-Armas, R. O.; Oviedo Lopez, J.; San-Miguel, M.A.; Sanz, J. F.; Ordejón, P.; Pruneda, M. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 2856. doi: 10.1021/ct100289t

    31. [31]

      (31) Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393,51. doi: 10.1016/j.cplett.2004.06.011(31) Yanai, T.; Tew, D. P.; Handy, N. C. Chem. Phys. Lett. 2004, 393,51. doi: 10.1016/j.cplett.2004.06.011

    32. [32]

      (32) Pastore, M.; Mosconi, E.; De Angelis, F.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 7205. doi: 10.1021/jp100713r(32) Pastore, M.; Mosconi, E.; De Angelis, F.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 7205. doi: 10.1021/jp100713r

    33. [33]

      (33) Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cammi, R. Chem. Rev. 2005, 105,2999. doi: 10.1021/cr9904009(33) Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cammi, R. Chem. Rev. 2005, 105,2999. doi: 10.1021/cr9904009

    34. [34]

      (34) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996,77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865(34) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996,77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

    35. [35]

      (35) Delley, B. Phys. Rev. B 2002, 66, 155125. doi: 10.1103/PhysRevB.66.155125(35) Delley, B. Phys. Rev. B 2002, 66, 155125. doi: 10.1103/PhysRevB.66.155125

    36. [36]

      (36) Xu, J.; Zhang, H.;Wang, L.; Liang, G.;Wang, L.; Shen, X.; Xu,W. Spectrochim. Acta A 2010, 76, 239. doi: 10.1016/j.saa.2010.03.027(36) Xu, J.; Zhang, H.;Wang, L.; Liang, G.;Wang, L.; Shen, X.; Xu,W. Spectrochim. Acta A 2010, 76, 239. doi: 10.1016/j.saa.2010.03.027

    37. [37]

      (37) Asbury, J.;Wang, Y. Q.; Hao, E.; Ghosh, H.; Lian, T. Res. Chem. Intermediat. 2001, 27, 393. doi: 10.1163/156856701104202255(37) Asbury, J.;Wang, Y. Q.; Hao, E.; Ghosh, H.; Lian, T. Res. Chem. Intermediat. 2001, 27, 393. doi: 10.1163/156856701104202255

    38. [38]

      (38) Cahen, D.; Hodes, G.; Grätzel, M.; Guillemoles, J. F.; Riess, I.J. Phys. Chem. B 2000, 104, 2053. doi: 10.1021/jp993187t(38) Cahen, D.; Hodes, G.; Grätzel, M.; Guillemoles, J. F.; Riess, I.J. Phys. Chem. B 2000, 104, 2053. doi: 10.1021/jp993187t

    39. [39]

      (39) Vittadini, A.; Selloni, A.; Rotzinger, F. P.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1300. doi: 10.1021/jp993583b(39) Vittadini, A.; Selloni, A.; Rotzinger, F. P.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1300. doi: 10.1021/jp993583b

    40. [40]

      (40) Nazeeruddin, M. K.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Grätzel, M.J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8981. doi: 10.1021/jp022656f(40) Nazeeruddin, M. K.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Grätzel, M.J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8981. doi: 10.1021/jp022656f

    41. [41]

      (41) Yakhanthip, T.; Jungsuttiwong, S.; Namuangruk, S.; Kungwan,N.; Promarak, V.; Sudyoadsuk, T.; Kochpradist, P. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1568. doi: 10.1002/jcc.21735(41) Yakhanthip, T.; Jungsuttiwong, S.; Namuangruk, S.; Kungwan,N.; Promarak, V.; Sudyoadsuk, T.; Kochpradist, P. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1568. doi: 10.1002/jcc.21735

    42. [42]

      (42) Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Ohga, Y.; Shinpo, A.;Suga, S.; Sayama, K.; Sugihara, H.; Arakawa, H. J. Phys. Chem. B 2002, 107, 597. doi: 10.1021/jp026963x(42) Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Ohga, Y.; Shinpo, A.;Suga, S.; Sayama, K.; Sugihara, H.; Arakawa, H. J. Phys. Chem. B 2002, 107, 597. doi: 10.1021/jp026963x

    43. [43]

      (43) Ye, S.; Kathiravan, A.; Hayashi, H.; Tong, Y.; Infahsaeng, Y.;Chabera, P.; Pascher, T.; Yartsev, A. P.; Isoda, S.; Imahori, H.;Sundström, V. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 6066. doi: 10.1021/jp400336r(43) Ye, S.; Kathiravan, A.; Hayashi, H.; Tong, Y.; Infahsaeng, Y.;Chabera, P.; Pascher, T.; Yartsev, A. P.; Isoda, S.; Imahori, H.;Sundström, V. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 6066. doi: 10.1021/jp400336r

    44. [44]

      (44) Jungsuttiwong, S.; Yakhanthip, T.; Surakhot, Y.; Khunchalee, J.;Sudyoadsuk, T.; Promarak, V.; Kungwan, N.; Namuangruk, S.J. Comput. Chem. 2012, 33, 1517. doi: 10.1002/jcc.22983

      (44) Jungsuttiwong, S.; Yakhanthip, T.; Surakhot, Y.; Khunchalee, J.;Sudyoadsuk, T.; Promarak, V.; Kungwan, N.; Namuangruk, S.J. Comput. Chem. 2012, 33, 1517. doi: 10.1002/jcc.22983

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  747
  • 文章访问数:  1416
  • HTML全文浏览量:  48
文章相关
  • 发布日期:  2014-01-23
  • 收稿日期:  2013-09-26
  • 网络出版日期:  2013-11-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net