染料敏化太阳能电池关键材料设计郭文跃中国石油大学

项目类别 重点项目山东省自然科学基金资助项目结 题 报 告项目负责人(签字): 郭文跃 项目编号: ZR2011EMZ002 项目名称: 染料敏化太阳能电池关键材料的设计所在单位: 中国石油大学（华东） 研究工作完成时间: 2014 年 10 月 山东省自然科学基金委员会办公室二一四年制一、开展的主要研究工作（概述在项目执行期内，完成的主要工作内容及进度情况。不超过 1000 字。 ）在项目执行期间，主要开展了 6 方面工作：非贵金属 Fe(II)配位染料敏化剂分子的设计和理论研究、非贵金属 Cu(I)基染料敏化剂的设计和理论研究、Zn 基卟啉染料敏化剂的设计和理论研究、三苯胺基纯有机染料敏化剂的设计和理论研究、染料敏化剂在半导体 TiO2 表面的吸附性质研究、激发态染料敏化剂分子在常用 I-/I3-电解液中电子传输性质的理论研究。具体的研究内容及进度情况如下：(1)设计了一系列的 Fe 中心离子配合体染料敏化剂分子，优化了敏化剂分子在液相中的结构，计算了结构参数；分析了敏化剂分子轨道组成以及轨道能级；模拟了液相中紫外/可见光(UV/VIS)吸收光谱、吸收强度以及电子激发转移路径。计算和分析工作已经完成，相关文章已经发表。(2)设计了一系列的 Cu 中心离子配合体染料敏化剂分子，优化了敏化剂分子在液相中的结构，计算了机构参数；分析了敏化剂分子轨道组成以及轨道能级；模拟了液相中紫外/可见光(UV/VIS)吸收光谱、吸收强度以及电子激发转移路径。计算和分析工作已经完成，相关文章已经被接收。(3)设计了一系列的 Zn 中心离子配合体染料敏化剂分子，优化了敏化剂分子在液相中的结构，计算了结构参数；分析了敏化剂分子轨道组成以及轨道能级；模拟了液相中紫外/可见光(UV/VIS)吸收光谱、吸收强度以及电子激发转移路径。计算和分析工作已经完成，相关文章已经被接收。(4)设计了一系列三苯胺纯有机染料敏化剂分子，优化了敏化剂分子在气相与液相中的结构，计算了机构参数；分析了敏化剂分子轨道组成以及轨道能级；模拟了气相与液相中紫外/可见光(UV/VIS)吸收光谱、吸收强度以及电子激发转移路径。计算和分析工作已经完成，相关文章已经发表。(5)计算了羧酸根的模型分子 HCOOH（甲酸）和 C6H5COOH（苯甲酸）在锐钛矿相 TiO2(101)面各吸附构型的吸附能和结合方式，总结了其吸附规律；对链接-COOH 基团的有机染料进行了理论计算研究，分析了受光激发电子注入半导体的方式和注入时间，从微观理论上分析了影响电子注入时间的因素。(6)对敏化剂分子及电解质溶液分子的结构、单点能和频率进行了计算，模拟了激发态染料敏化剂分子在常用 I-/I3-电解液中电子传输过程，分析了电解质与敏化剂分子的相互作用；研究了在常用 I-/I3-电解液中添加添加剂（含有 Li+、Na +、K +等离子）对激发态染料分子充电性能的影响。二、取得的主要成绩（比照研究工作计划，简述所做的代表性工作及取得的标志性成果、应用情况，不超过 1500 字。 ）取得的主要成绩：按照研究计划，本项目共在国外学术期刊上发表 SCI 文章 15 篇；申请发明专利 2 项；将该类项目进行了升级，申请了国家自然科学基金；共培养博士研究生 3 人，硕士研究生 4 名，俱已毕业并获得了学位。具体的代表性工作及取得的标志性成果、应用情况如下。代表性工作：(1)按照研究计划，我们设计了一系列的非贵金属中心离子（包括 Cu、Fe、Zn 等）配合体染料敏化剂分子和基于三苯胺等纯有机分子材料的新型染料敏化剂分子，优化了敏化剂分子在气相与液相中的结构；分析金属中心离子同配体的成键、稳定性以及结合能情况；分析敏化剂分子轨道组成以及轨道能级；模拟气相与液相中紫外/可见光(UV/VIS)吸收光谱、吸收强度以及此过程中电子激发转移路径；修改共轭配体以拓展光谱吸收范围，并提高光吸收率、光稳定性以及热稳定性。(2)研究了染料敏化剂分子在 TiO2、ZnO 等半导体表面的吸附位与结合方式，比较不同被吸附基团的吸附位置，分析吸附能差异；研究敏化剂吸附对半导体自身性能的影响；研究电子由受激发的染料敏化剂分子至半导体表面电子转移路径；研究半导体捕获自由电子过程以及输运方式。(3)模拟了激发态染料敏化剂分子在常用 I-/I3-电解液中电子传输过程；研究在常用I-/I3-电解液中添加添加剂（含有 Li+、Na +、K +等离子）对激发态染料分子充电性能的影响。取得的标志性成果、应用情况：(1)Fe 金属中心类敏化剂的成果已经发表于 Journal of Organometallic Chemistry。X. Q. Lu, K-S. Chau, S. X. Wei, Z. G. Deng, N. Ding, L. M. Zhao, C.-M. L. Wu, W. Y. Guo.* J. Organomet. Chem., 2013, 741742, 168-175.(2)Cu 金属中心类敏化剂的成果已经接收于 Science of Advanced Materials。S. X. Wei, X. F. Shi, X. Q. Lu,* Y. Shao, D. L. Jin, Z. G. Deng, Z. G. Zhao, K. Li, W. Y. Guo. Sci. Adv. Mater., 2014, DOI: 10.1166/sam.2014.2052.(3)Zn 中心离子配合体染料敏化剂分子的成果已经接收于 Science of Advanced Materials。X. F. Shi, X. Q. Lu,* Y. Shao, S. X. Wei, Q. Zhu, D. L. Jin, Z. G. Deng, W. Y. Guo.* Sci. Adv. Mater., 2014, DOI: 10.1166/sam.2014.2007.(4)以三苯胺为基础的纯有机分子敏化剂的成果已经发表于 International Journal of Photoenergy。S. X. Wei, X. Q. Lu,* X. F. Shi, Z. G. Deng, Y. Shao, L. M. Zhao, W. Y. Guo,* C.-M. L. Wu, Int. J. Photoenergy, 2014, art. no. 280196.(5)Cu 金属中心类敏化剂的成果已经申请发明专利一项“一种设计与筛选铜基联吡啶染料敏化剂的方法” ，目前已经公开，专利号为 201410205648.2。(6)申请发明专利“二硫富瓦烯基染料敏化剂的分子设计方法” ，目前已经公开，专利号为 201410205490.9。(7)将该基金进行了升级，在 2014 年申请了国家自然科学基金“新型非贵金属染料敏化剂的理论设计与筛选” ，项目编号为 21303266。三、标志性科研成果（列举能够体现本项目研究工作与水平的标志性成果 1-2 项，并另附标志性成果影印件；所列论文、专著等须已公开发表且标注本基金项目资助） 。标志性成果清单序号成果名称 完成人 类型完成时间项目负责人署名次序1 Cu(I)-based sensitizers featuring 6,6-dimethyl-4,4-dicarboxylate-2,2-bipyridine with functionalized 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline ligands: A structural, electronic and spectral investigation.魏淑贤 论文 20