半菁染料作为染料敏化太阳能电池吸光材料的理论研究

李会学 左国防 李志锋 王晓峰 郑仁慧

引用本文: 李会学, 左国防, 李志锋, 王晓峰, 郑仁慧. 半菁染料作为染料敏化太阳能电池吸光材料的理论研究[J]. 物理化学学报, 2015, 31(5): 866-876. doi: 10.3866/PKU.WHXB201503254 shu
Citation:  LI Hui-Xue, ZUO Guo-Fang, LI Zhi-Feng, WANG Xiao-Feng, ZHENG Ren-Hui. Theoretical Study of Hemicyanine Dye as a Dye-Sensitized Solar Cell Light-Absorbing Material[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2015, 31(5): 866-876. doi: 10.3866/PKU.WHXB201503254 shu

半菁染料作为染料敏化太阳能电池吸光材料的理论研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21465021, 21463023) (21465021, 21463023)

    教育部重点项目(211189) (211189)

    甘肃省自然科学基金(1208RJZE139) (1208RJZE139)

    甘肃省高校领军人才项目(11zx-04)资助 (11zx-04)

摘要:

采用第一性原理研究了半菁-二氧化钛团簇形成的配合物(hemicyanine-(TiO2)n)的光电子转移过程, 这里n分别取5, 9, 15. 配合物基态构型采用密度泛函理论方法进行优化, 而激发态采用含时密度泛函理论进行计算. 采用长程相关校正的密度泛函CAM-B3LYP和ωB97X-D计算的激发能与实验值吻合得很好. 依据广义Mulliken-Hush (GMH)公式, 基于密度泛函理论得到的波函数被用来计算电荷转移积分, 进而可根据Marcus理论计算出电荷分离速率常数(kCS)和电荷回传速率常数(kCR). 计算结果表明电子从染料到(TiO2)n团簇的传递有多条通道, 这使得kCS具有更大值, 相反, 只具有单通道的电荷回传降低了kCR值, 与kCS相比甚至可以忽略, 这表明在所研究的体系中电荷回传是不利的.

English

    1. [1]

      (1) Grätzel, M. Accounts Chem. Res. 2009, 42, 1788. doi: 10.1021/ar900141y

      (1) Grätzel, M. Accounts Chem. Res. 2009, 42, 1788. doi: 10.1021/ar900141y

    2. [2]

      (2) Gunes, S.; Neugebauer, H.; Sariciftci, N. Chem. Rev. 2007, 107, 1324. doi: 10.1021/cr050149z(2) Gunes, S.; Neugebauer, H.; Sariciftci, N. Chem. Rev. 2007, 107, 1324. doi: 10.1021/cr050149z

    3. [3]

      (3) O'regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737. doi: 10.1038/353737a0(3) O'regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737. doi: 10.1038/353737a0

    4. [4]

      (4) Akimov, A. V.; Neukirch, A. J.; Prezhdo, O. V. Chem. Rev. 2013, 113, 4496. doi: 10.1021/cr3004899(4) Akimov, A. V.; Neukirch, A. J.; Prezhdo, O. V. Chem. Rev. 2013, 113, 4496. doi: 10.1021/cr3004899

    5. [5]

      (5) Mori, S.; Nagata, M.; Nakahata, Y.; Yasuta, K.; to, R.; Kimura, M.; Taya, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4054. doi: 10.1021/ja9109677(5) Mori, S.; Nagata, M.; Nakahata, Y.; Yasuta, K.; to, R.; Kimura, M.; Taya, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4054. doi: 10.1021/ja9109677

    6. [6]

      (6) Nazeeruddin, M. K.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; akeru, B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835. doi: 10.1021/ja052467l(6) Nazeeruddin, M. K.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; akeru, B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835. doi: 10.1021/ja052467l

    7. [7]

      (7) Wang, C. L.; Hu, J. Y.; Wu, C. H.; Kuo, H. H.; Chang, Y. C.; Lan, Z. J.; Wu, H. P.; Diau, E.W..; Lin, C. Y. Energ. Environ. Sci. 2014, 7 (4), 1392 doi: 10.1039/c3ee44168g(7) Wang, C. L.; Hu, J. Y.; Wu, C. H.; Kuo, H. H.; Chang, Y. C.; Lan, Z. J.; Wu, H. P.; Diau, E.W..; Lin, C. Y. Energ. Environ. Sci. 2014, 7 (4), 1392 doi: 10.1039/c3ee44168g

    8. [8]

      (8) Willig, F.; Eichberger, R.; Sundaresan, N. S.; Parkinson, B. A. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 702.(8) Willig, F.; Eichberger, R.; Sundaresan, N. S.; Parkinson, B. A. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 702.

    9. [9]

      (9) Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2004, 164, 3. doi: 10.1016/j.jphotochem.2004.02.023(9) Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2004, 164, 3. doi: 10.1016/j.jphotochem.2004.02.023

    10. [10]

      (10) Yum, J. H.; Walter, P.; Huber, S.; Rentsch, D.; Geiger, T.; Nuesch, F.; De Angelis, F.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 10320. doi: 10.1021/ja0731470(10) Yum, J. H.; Walter, P.; Huber, S.; Rentsch, D.; Geiger, T.; Nuesch, F.; De Angelis, F.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 10320. doi: 10.1021/ja0731470

    11. [11]

      (11) Wang, Z. S.; Cui, Y.; Hara, K.; Dan-Oh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A. Adv. Mater. 2007, 17, 138.(11) Wang, Z. S.; Cui, Y.; Hara, K.; Dan-Oh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A. Adv. Mater. 2007, 17, 138.

    12. [12]

      (12) Gao, S.W.; Lan, Z.; Wu, W. X.; Que, L. F.; Wu, J. H.; Lin, J. M.; Huang, M. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 446. [高素雯, 兰章, 吴晚霞, 阙兰芳, 吴季怀, 林建明, 黄妙良. 物理化学学报, 2014, 30, 446.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201401022(12) Gao, S.W.; Lan, Z.; Wu, W. X.; Que, L. F.; Wu, J. H.; Lin, J. M.; Huang, M. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 446. [高素雯, 兰章, 吴晚霞, 阙兰芳, 吴季怀, 林建明, 黄妙良. 物理化学学报, 2014, 30, 446.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201401022

    13. [13]

      (13) Feldt, S. M.; Lohse, P.W.; Kessler, F.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 7087. doi: 10.1039/c3cp50997d(13) Feldt, S. M.; Lohse, P.W.; Kessler, F.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 7087. doi: 10.1039/c3cp50997d

    14. [14]

      (14) Ito, S.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Charvet, R.; Comte, P.; azeeruddin, M. K.; Pechy, P.; Takata, M.; Miura, H.; Uchida, S.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2006, 18, 1202.(14) Ito, S.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Charvet, R.; Comte, P.; azeeruddin, M. K.; Pechy, P.; Takata, M.; Miura, H.; Uchida, S.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2006, 18, 1202.

    15. [15]

      (15) Chen, Y. S.; Li, C.; Zeng, Z. H.; Wang, W. B.; Wang, X. S.; Zhang, B.W. J. Mater. Chem. 2005, 15, 1654.(15) Chen, Y. S.; Li, C.; Zeng, Z. H.; Wang, W. B.; Wang, X. S.; Zhang, B.W. J. Mater. Chem. 2005, 15, 1654.

    16. [16]

      (16) Wang, Z. S.; Li, F. Y.; Huang, C. H.; Wang, L.; Wei, M.; Jin, L. P.; Li, N. Q. J. Phys. Chem.B 2000, 104, 9676. doi: 10.1021/jp001580p(16) Wang, Z. S.; Li, F. Y.; Huang, C. H.; Wang, L.; Wei, M.; Jin, L. P.; Li, N. Q. J. Phys. Chem.B 2000, 104, 9676. doi: 10.1021/jp001580p

    17. [17]

      (17) Yao, Q. H.; Meng, F. S.; Li, F. Y.; Tian, H.; Huang, C. H. J. Mater. Chem. 2003, 13, 1048. doi: 10.1039/b300083b(17) Yao, Q. H.; Meng, F. S.; Li, F. Y.; Tian, H.; Huang, C. H. J. Mater. Chem. 2003, 13, 1048. doi: 10.1039/b300083b

    18. [18]

      (18) Preat, J.; Michaux, C.; Jacquemin, D.; Perpete, E. A. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 16821. doi: 10.1021/jp904946a(18) Preat, J.; Michaux, C.; Jacquemin, D.; Perpete, E. A. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 16821. doi: 10.1021/jp904946a

    19. [19]

      (19) Wang, Z. S.; Li, F. Y.; Huang, C. H. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 9210. doi: 10.1021/jp010667n(19) Wang, Z. S.; Li, F. Y.; Huang, C. H. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 9210. doi: 10.1021/jp010667n

    20. [20]

      (20) De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129 (46), 14156. doi: 10.1021/ja076293e(20) De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129 (46), 14156. doi: 10.1021/ja076293e

    21. [21]

      (21) Song, J.; Yin, Z.; Yang, Z.; Amaladass, P.; Wu, S.; Ye, J.; Zhao, Y.; Deng, W. Q.; Zhang, H.; Liu, X.W. Chem. -Eur. J. 2011, 17(39), 10832. doi: 10.1002/chem.v17.39(21) Song, J.; Yin, Z.; Yang, Z.; Amaladass, P.; Wu, S.; Ye, J.; Zhao, Y.; Deng, W. Q.; Zhang, H.; Liu, X.W. Chem. -Eur. J. 2011, 17(39), 10832. doi: 10.1002/chem.v17.39

    22. [22]

      (22) Al-Sehemi, A. G.; Irfan, A.; Asiri, A. M. Theor. Chem. Acc. 2012, 131, 1199. doi: 10.1007/s00214-012-1199-6(22) Al-Sehemi, A. G.; Irfan, A.; Asiri, A. M. Theor. Chem. Acc. 2012, 131, 1199. doi: 10.1007/s00214-012-1199-6

    23. [23]

      (23) Cave, R. J.; Newton, M. D. Chem. Phys. Lett. 1996, 249, 15. doi: 10.1016/0009-2614(95)01310-5(23) Cave, R. J.; Newton, M. D. Chem. Phys. Lett. 1996, 249, 15. doi: 10.1016/0009-2614(95)01310-5

    24. [24]

      (24) Nan, G. J.; Wang, L. J.; Yang, X. D.; Shuai, Z. G.; Zhao, Y. J. Chem. Phys. 2009, 130, 024704. doi: 10.1063/1.3055519(24) Nan, G. J.; Wang, L. J.; Yang, X. D.; Shuai, Z. G.; Zhao, Y. J. Chem. Phys. 2009, 130, 024704. doi: 10.1063/1.3055519

    25. [25]

      (25) Shao, Y.; Molnar, L. F.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S. T.; Gilbert, A. T.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O'Neill, D. P.; DiStasio, R. A., Jr.; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Lin, C. Y.; Voorhis, T. V.; Chien, S. H.; Sodt, A.; Steele, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P. E.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Byrd, E. C.; Dachsel, H.; Doerksen, R. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3172. doi: 10.1039/b517914a(25) Shao, Y.; Molnar, L. F.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S. T.; Gilbert, A. T.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O'Neill, D. P.; DiStasio, R. A., Jr.; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Lin, C. Y.; Voorhis, T. V.; Chien, S. H.; Sodt, A.; Steele, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P. E.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Byrd, E. C.; Dachsel, H.; Doerksen, R. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3172. doi: 10.1039/b517914a

    26. [26]

      (26) Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Tao, J. M.; Staroverov, V. N. Scuseria, G. E.; Csonka, G. I. J. Chem. Phys. 2005, 123, 062201. doi: 10.1063/1.1904565(26) Perdew, J. P.; Ruzsinszky, A.; Tao, J. M.; Staroverov, V. N. Scuseria, G. E.; Csonka, G. I. J. Chem. Phys. 2005, 123, 062201. doi: 10.1063/1.1904565

    27. [27]

      (27) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.(27) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 09, Revision A.02; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2009.

    28. [28]

      (28) Zhou, X.; Zhang, H. X.; Pan, Q. J.; Xia, B. H.; Tang, A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 8809. doi: 10.1021/jp0503359(28) Zhou, X.; Zhang, H. X.; Pan, Q. J.; Xia, B. H.; Tang, A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 8809. doi: 10.1021/jp0503359

    29. [29]

      (29) Dreuw, A.; Head- rdon, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4007. doi: 10.1021/ja039556n(29) Dreuw, A.; Head- rdon, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4007. doi: 10.1021/ja039556n

    30. [30]

      (30) Jacquemin, D.; Perpète, E. A.; Scuseria, G. E.; Ciofini, I.; Adamo, C. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 123. doi: 10.1021/ct700187z(30) Jacquemin, D.; Perpète, E. A.; Scuseria, G. E.; Ciofini, I.; Adamo, C. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 123. doi: 10.1021/ct700187z

    31. [31]

      (31) Vydrov, O. A.; Heyd, J.; Krukau, A. V.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2006, 125, 234109. doi: 10.1063/1.2409292(31) Vydrov, O. A.; Heyd, J.; Krukau, A. V.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2006, 125, 234109. doi: 10.1063/1.2409292

    32. [32]

      (32) Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117. doi: 10.1016/0301-0104(81)85090-2(32) Miertus, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117. doi: 10.1016/0301-0104(81)85090-2

    33. [33]

      (33) Guo, Z. Y.; Liang, W. Z.; Zhao, Y.; Chen, G. H. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 16655. doi: 10.1021/jp802007h(33) Guo, Z. Y.; Liang, W. Z.; Zhao, Y.; Chen, G. H. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 16655. doi: 10.1021/jp802007h

    34. [34]

      (34) Ramakrishna, S.; Willig, F. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 68. doi: 10.1021/jp991428r(34) Ramakrishna, S.; Willig, F. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 68. doi: 10.1021/jp991428r

    35. [35]

      (35) Snaith, H. J.; Schmidt-Mende, L. Adv. Mater. 2007, 19, 3187. doi: 10.1002/adma.200602903(35) Snaith, H. J.; Schmidt-Mende, L. Adv. Mater. 2007, 19, 3187. doi: 10.1002/adma.200602903

    36. [36]

      (36) Lundqvist, M. J.; Nilsing, M.; Persson, P.; Lunell, S. Int. J. Quantum Chem. 2006, 106, 3214.(36) Lundqvist, M. J.; Nilsing, M.; Persson, P.; Lunell, S. Int. J. Quantum Chem. 2006, 106, 3214.

    37. [37]

      (37) Wadt, W. R.; Hay, P. J. J. Chem. Phys. 1985, 82, 284. doi: 10.1063/1.448800(37) Wadt, W. R.; Hay, P. J. J. Chem. Phys. 1985, 82, 284. doi: 10.1063/1.448800

    38. [38]

      (38) Kormann, C.; Bahnemann, D.W.; Hoffmann, M. R. J. Phys. Chem. 1988, 92, 5196. doi: 10.1021/j100329a027(38) Kormann, C.; Bahnemann, D.W.; Hoffmann, M. R. J. Phys. Chem. 1988, 92, 5196. doi: 10.1021/j100329a027

    39. [39]

      (39) Zhao, Z. Y.; Liu, Q. J.; Zhang, J.; Zhu, Z. Q. Acta Phys. Sin. 2007, 56, 6592.(39) Zhao, Z. Y.; Liu, Q. J.; Zhang, J.; Zhu, Z. Q. Acta Phys. Sin. 2007, 56, 6592.

    40. [40]

      (40) Tian, H. N.; Yang, X. C.; Chen, R.; Zhang, R.; Hagfeldt, A.; Sun, L. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11023. doi: 10.1021/jp800953s(40) Tian, H. N.; Yang, X. C.; Chen, R.; Zhang, R.; Hagfeldt, A.; Sun, L. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11023. doi: 10.1021/jp800953s

    41. [41]

      (41) Dreuw, A.; Head- rdon, M. Chem. Rev. 2005, 105, 4009. doi: 10.1021/cr0505627(41) Dreuw, A.; Head- rdon, M. Chem. Rev. 2005, 105, 4009. doi: 10.1021/cr0505627

    42. [42]

      (42) Voityuk, A. A.; Rösch, N. J. Chem. Phys. 2002, 117, 5607. doi: 10.1063/1.1502255(42) Voityuk, A. A.; Rösch, N. J. Chem. Phys. 2002, 117, 5607. doi: 10.1063/1.1502255

    43. [43]

      (43) Mirkin, C. A.; Ratner, M. A. Annu. Rev. Phys. Chem. 1992, 43, 719. doi: 10.1146/annurev.pc.43.100192.003443(43) Mirkin, C. A.; Ratner, M. A. Annu. Rev. Phys. Chem. 1992, 43, 719. doi: 10.1146/annurev.pc.43.100192.003443

    44. [44]

      (44) Newton, M. D. Chem. Rev. 1991, 91, 767. doi: 10.1021/cr00005a007(44) Newton, M. D. Chem. Rev. 1991, 91, 767. doi: 10.1021/cr00005a007

    45. [45]

      (45) Levine, I. N. Quantum Chemistry, 5th ed.; Prentice Hall: New York, 1991.

      (45) Levine, I. N. Quantum Chemistry, 5th ed.; Prentice Hall: New York, 1991.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  270
  • 文章访问数:  593
  • HTML全文浏览量:  7
文章相关
  • 发布日期:  2015-05-08
  • 收稿日期:  2015-02-27
  • 网络出版日期:  2015-03-25
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