的光电性质DSSCs敏化荧光桃红B和溴酚蓝

文摘

B和溴酚蓝荧光桃红色素增感太阳能电池的增敏剂研究了通过紫外可见光谱、红外光谱、荧光光谱、和电流电压特性。前线分子轨道,振动分析,首先推导计算DFT /我感觉(d)。偶极矩,光收集效率(摘要LHE),和更大的驱动力的绝对值的电子注入()进行了讨论。的计算结果与实验结果相比,荧光桃红B和溴酚蓝。发现,与溴酚蓝相比,更大的偶极矩荧光桃红B的结果在较大的开路电压(根据偶极矩和之间的关系)。同时,对于荧光桃红B的配置,它具有较高的摘要LHE和的能力,有助于提高吸收阳光和电子注入。因此,更高的摘要LHE和荧光桃红B产生更大的价值。

1。介绍

逐渐恶化的环境问题,希望可以找到更多的能量来取代传统的化石能源。太阳能作为清洁的可再生能源,已经引起了广泛关注。因为奥雷根和Graetzel [1色素增感太阳能电池(DSSCs)]发达,photo-to-electric转换效率()这种类型的太阳能电池取得了7.1 - -7.9%。由于他们的友善和低生产成本(2- - - - - -5),已被更多的关注研究结构和性能之间的关系,设计新的DSSCs。

太阳能电池的带工程设备如图1的完整的能量水平,这表明不同的材料用于DSSCs设备。DSSCs有以下五个方面的特点6- - - - - -9]:染料分子吸收阳光的能量,他们兴奋的从基态到激发态。染料分子兴奋后,电子注入半导体的导带和搬到导电玻璃。电子扩散到外部电路。氧化态的染料分子脱氧的电解液减少。氧化态的电解液脱氧后的电子导电玻璃,从而完成一个循环。

纳米晶体的DSSCs主要是由多孔半导体electrode-absorbed染料,对电极和电解质含有碘和三碘化离子(10]。染料作为敏化剂吸收阳光的关键因素和太阳能转换为电能。DSSCs主要分为有机染料和无机染料(11- - - - - -13]。无机染料如N3和N719 polypyridine复合物(14在DSSCs作为敏化剂。虽然DSSCs无机染料提供了一个相对较高的效率,有很多的缺点在DSSCs使用无机染料。例如,一些无机染料是资源数量有限,导致在DSSC更昂贵的成本。相反地,有机染料不仅便宜,而且已报告达到效率高达9.8%15]。然而,转换效率有机染料仍低于无机染料,它是不适合商业生产相比,硅光电池(3]。Torchani et al。16研究了指甲花和锦葵Mloukhya DSSCs的增敏剂。结果表明,锦葵太阳能电池的填充因子是55%,和是0.215%。周et al。17]研究二十天然染料,提取天然材料(如鲜花、树叶、水果、中药,和饮料),结果表明,开路电压和山竹果的果皮是最高的,0.686 V和1.17%,分别。现在,一些有机染料被利用作为DSSCs增敏剂,如香豆素(18),卟啉(19- - - - - -21),三苯甲烷(22,23),二氢吲哚24,25),和花青26,27]。

近年来,量子化学方法提供了可靠的理论依据的快速筛选高效染料分子(28- - - - - -32]。库马拉et al。33]报道了红茶废弃物提取(耳背式)作为DSSCs敏化剂在实验和理论研究。耳背式有四个茶黄素类似物,他们通过密度泛函理论(DFT)计算,含时密度泛函理论(TD-DFT)。结果表明,茶黄素和茶黄素digallate四个类似物之间的增敏剂有良好的性能。贝尼省和Zarandi34]分析了3-amino-4-nitrofurazan分子利用泛函理论(DFT)和MP2方法。气相中的分子的几何形状进行优化和比较与晶体。根据DFT和MP2方法,他们获得稳定的气态。El-Shishtawy et al。35)研究电子吸收光谱,基态几何图形,和电子结构的对称和非对称squaraine染料与DFT方法,他们发现squaraine染料的吸收可以通过简单的结构修改,延伸到近红外光谱区域和有能量匹配染料和TiO之间₂。太阳et al。36)研究了两种染料的光学和电学性质,红紫素和茜素氨羧络合剂,增敏剂,利用紫外可见光谱、红外光谱、循环伏安法,特点,和DFT计算,结果表明,侧链有一个有趣的增敏剂的光学和电学性质的影响。李和同事(37]研究了聚合物的基态和激发态性质BSeTT, QTT, BDT-DTBTBPz (Pz)和BDT-DTBTBQx(季度)及其衍生物D1, D2和D3通过DFT和TD-DFT方法,表明分子BDT-DTBTBPz和分子设计(D2)最好的光学和电子特性的系统调查。歌等。38)报道,电子转移是一个关键过程的光推动电荷分离反应在有机太阳能电池。

在这个工作中,荧光桃红B和溴酚蓝被选为增敏剂研究DSSCs实验的光学和电学性质,紫外可见光谱、荧光光谱、傅立叶变换红外光谱计算与密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)。同时,吸收光谱,红外光谱,荧光光谱,荧光桃红B和溴酚蓝进行了分析和比较。此外,辐射寿命()和总两个染料的静态首先推导计算。结合实验和理论的研究提供了深刻的洞察两DSSCS结构和性能之间的关系。

2。方法

紫外可见光谱测量与tu - 1900光谱仪(中国,北京)和傅立叶变换红外光谱测定360傅立叶变换红外光谱仪(WI Nicolet,麦迪逊,美国)。太阳能转换效率测量完成了太阳能模拟仪器(Pecell-15、日本),光强度是通过调整参考标准Si-solar细胞在阳光强度100 mW厘米⁻²。荧光桃红B和溴酚蓝的基态结构进行了优化和DFT (39用B3LYP [40)功能在我组(d)基础。基于优化的基态结构、最高占据分子轨道(人类),最低未占据分子轨道(LUMO)和能源缺口的两个染料分子计算,和振动频率在同一水平。没有虚振动频率最低的能源结构潜在的能源格局。模拟吸收光谱与同级TD-DFT完成。总静态首先推导可以编写如下(41]: 个人静态组件在上面的方程计算 在哪里是本文的紧张组件。由于Kleinman对称,我们最终得到的方程使用: 所有的计算都是由使用高斯09年的包(42]。

3所示。结果与讨论

3.1。染料的光学特性

溴酚蓝的化学结构和荧光桃红B图所示2。乙醇的实验两种染料的吸收光谱呈现在图3(一个)。吸收光谱,荧光桃红B显示吸收范围是450 - 600 nm,最大吸收峰()在550纳米左右。溴酚蓝的吸收光谱显示300 - 500纳米的范围内410海里,溴酚蓝没有其他明显的吸收峰(参见图吗3(一个))。

另外,溴酚蓝的吸收光谱和荧光桃红B通过TD-DFT计算/我在溶剂(见图(d)3 (b)),表中列出的数据1。荧光桃红B显示吸收地区在300 - 700海里,一个472海里。溴酚蓝的吸收范围是230 - 330 nm是289海里。吸收在可见光和近紫外线区域光伏性能的重要区域,所以有两个重要因素(振子强度大于0.1和吸收光谱的波长超过300海里)。第一激发态S1的振子强度荧光桃红B 0.7582(472海里),振子强度的六个激发态中是最强的。吸收光谱的最大吸收是由人类主导LUMO过渡(贡献约为0.70069),和相应的跃迁能是2.63 eV。与此同时,对溴酚蓝,在第一激发态S1,振子强度为0.0322。S1的振子强度最强的在美国,这个国家是由人类组成的LUMO电子跃迁。

更深入理解电子结构的两种染料、前沿分子轨道的等密度图(MOs)两种染料都显示在图4。荧光桃红B由两部分组成,即sodium-2, 3, 4, 5-tetrachlorobenzene sodium-2, 4, 5,分别7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate。人类的电子密度是位于sodium-2, 4, 5, 7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate集团的LUMO位于共轭桥和sodium-2, 4, 5, 7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate组。从上面的分布的分子的HOMO和LUMO轨道,电子转移从sodium-2最可能发生,4,5,7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate集团单位共轭桥。其他金属氧化物半导体的电子密度图所示4相应的HOMO−1, HOMO−2, HOMO−3, LUMO + 1, LUMO + 2,分别和LUMO + 3。

溴酚蓝是由三个部分组成的,即两个相同的2,分别6-dibromophenol团体和吡啶。人类的电子密度是位于两个相同的2,6-dibromophenol团体和共轭桥,LUMO位于吡啶和共轭桥。由于电子跃迁从人类到LUMO,发现一小部分MOs HOMO和LUMO加载在共轭桥,和更多的电子被转移到吡啶。因此,激励应该从两个完全相同的2,导致电子转移6-dibromophenol团体吡啶。在染料的homo和lumo表明,过渡的最大吸收分子内电荷转移(ICT)字符,和他们在DSSCs发挥了重要作用。

3.2。傅里叶变换红外光谱

傅里叶变换红外(ir)光谱荧光桃红B和溴酚蓝被记录在500 - 4000厘米⁻¹范围使用KBr丸和计算DFT / B3LYP方法?我。(d)基础实验红外光谱如图5(一个)和5 (b)和傅立叶变换红外光谱计算得到数据5 (c)和5 (d)。溴酚蓝的振动吸收峰的吸收峰值分布在范围1000 - 2000厘米⁻¹和3000 - 4000厘米⁻¹。他们是1398.75,1472.31,1634.19,3440.26厘米⁻¹,3851.47厘米⁻¹(见图5(一个)),分别。摇摆振动的两个碳氢键2,溴酚蓝6-dibromophenol小组观察到3243.83厘米⁻¹(见图5 (c))。摇摆振动的两个地债券两个2,6-dibromophenol组观察到1389.36厘米⁻¹。两个碳氢键的伸缩振动的吡啶组观察到1452.16厘米⁻¹和3652.02厘米⁻¹,分别。吡啶组摇摆振动是观察到1632.13厘米⁻¹。

碳氢键的振动进行了研究如下:碳氢键swing和伸缩振动在单元2,6-dibromophenol组计算的681.42,868.79 - -934.34,974.53,1085.05 - -1087.63,1205.43 - -1209.30,1232.40,-1338.06,1333.11 1388 - 1445.35,1519.36 - -1609.41,1641.86 - -1644.21厘米⁻¹和3234.68 - -3443.83厘米⁻¹。碳氢键swing和伸展在吡啶组计算在718.94,765.71 - -766.86,842.82 - -863.99,944.66,993.54 - -999.10,1057.47,1108.78 - -1171.92,1452.16 - -1513.01厘米⁻¹和3192.57 - -322.58厘米⁻¹,分别。

年代,哦,和环振动,结果表明,年代伸缩振动是观察到746.58厘米⁻¹观察和S = O对称拉伸在1171.92和1357.69厘米⁻¹傅立叶变换红外光谱,分别。哦swing和伸缩振动发生在613.14,1205.43 - -1209.30,1295.17 - -1301.14,1338.06 1388.22 - -1445.35,1519.36 - -1609.41,3651.80 - -3652.02厘米⁻¹。苯环上伸缩振动通常发生在718.94到-742.42之间,766.86,1606.85 - -1641.80厘米⁻¹。苯环上扭转振动是765.71厘米⁻¹。

振动吸收峰的荧光桃红B,傅立叶变换红外光谱的主要吸收峰集中在1000 - 2000厘米⁻¹。他们是1242.93,1355.36,1463.41,1558.18厘米⁻¹,1634.31厘米⁻¹(见图5 (b)),分别。sodium-2摇摆振动,4、5、7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate组观察到1453.18厘米⁻¹和1548.97厘米⁻¹(见图5 (d)),分别。两个碳氢键的伸展振动sodium-2, 4、5、7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate组观察到1228.48厘米⁻¹和1356.04厘米⁻¹,分别。C = O键的伸缩振动sodium-2, 4, 5, 7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate组观察到1642.66厘米⁻¹。

碳氢键,COONa O-Na振动,发现碳氢键sodium-2 swing和伸缩振动,4,5,7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate组被分配在该地区的936.95,987.30,1008.72,1030.88,1204.51,-1511.59,1545.61,1617.78,1665.48厘米⁻¹,分别。sodium-2 COONa对称伸缩振动,4,5,7-tetrabromo-6-oxo-xanthen-3-olate组发生在910.95和1686.27厘米⁻¹,分别。O-Na伸缩振动是观察到1593.03厘米⁻¹。

此外,有三个苯环的荧光桃红b .苯环对称伸缩振动区域中可观察到910.95 - -987.30,1030.88,1388.10,1453.18,1532.61,和1572.03厘米⁻¹在1665.48厘米⁻¹,分别。苯环的不对称伸缩振动计算在1008.72,1136.98 - -1204.51,1272.62,1290.53,1356.04,1382.82,1488.37,1511.59,和1545.61厘米⁻¹,平面弯曲振动计算为1211.25厘米⁻¹。

3.3。光伏特性

使用下列公式计算最大功率photo-to-electric转换效率()[43]: 在这里,入射光的强度;,密度,FF代表短路,开路电压和填充因子,分别。

FF的比率被定义为最大功率从DSSCs获得和它的理论最大功率44]。因此, 在这里,和电流和电压与最大功率。在实验中,我们使用了荧光桃红B和溴酚蓝增敏剂,测量电流电压(下阳光强度100 mW厘米⁻²。结果如图所示6,测量特征DSSCs表列出两个染料敏化2。

的DSSCs敏化荧光桃红B的0.52%,0.61 V,马的1.31厘米⁻²0.65,FF, DSSCs敏化溴酚蓝显示的0.05%,0.44 V,马的0.17厘米⁻²0.68、FF。结果表明,荧光桃红B的光伏性能大于溴酚蓝的。然后使用荧光桃红DSSCs B的敏化剂是更合适的。荧光桃红B的光伏性能高于溴酚蓝。这种改善的光伏性能DSSCs荧光桃红B可以归因于太阳辐射的吸收光谱(450 - 600 nm)(见图3(一个))[43]。这一结果表明,吸收光谱范围的影响DSSCs。

分析两个染料的区别,我们进行理论计算解释光电性质(大和)的荧光桃红的价值被视为准费米水平之间的差异的半导体导带边值和电解质氧气减少。由于电解液通常我⁻/氧化还原电解质可以被视为常数。的价值直接依赖的转变的还原电位半导体导带(),表达(45]: 在哪里吸附在表面浓度和吗是偶极矩分量垂直于TiO的方向吗₂表面(是设在方向),是气体介电常数,的介电常数是有机单层。显然,根据(6),更大的价值更大的价值。的变化有直接影响。为了分析和比较,我们计算,如图7。荧光桃红B为19.80 D,溴酚蓝是−1.29 D。荧光桃红B比溴酚蓝的力度要大得多。因此,增加荧光桃红B导致更大的(46,47]。

染料增敏剂的光收集效率(摘要LHE)和振子强度相关关系48),表示如下: 在这里,振子强度。根据表1,我们发现第一激发态的荧光桃红B和溴酚蓝在吸收,对应于一个主导地位和荧光桃红B的振子强度大于溴酚蓝的。荧光桃红的摘要LHE B是0.8255,溴酚蓝为0.0714。所以振子强度之间的相关关系,光收集效率(摘要LHE)暗示更加摘要LHE振子强度较大的染料,因此荧光桃红B公用事业的阳光。

阳光下吸收和电子注入DSSCs的重要过程,这显然会影响效率(49]。驱动力的电子注入()意味着激动的染料提供电子半导体导带。从激发态电子注入发生;可以由以下方程计算(50]: 在哪里的氧化电位激发态的染料,然后呢的还原电位是半导体导带。的报道= 4.0 eV (51]TiO₂采用在这工作。可以计算如下(52]: 在这里是基态的氧化还原电位,最大吸收了ICT的性格。

荧光桃红B和溴酚蓝的数据列在表中3。根据计算结果,荧光桃红B (−1.82 eV)高于溴酚蓝(−1.49 eV),这意味着荧光桃红B比溴酚蓝更容易。是一个电子的注入效率的重要影响因素。同时,摘要LHE显示荧光桃红B是强于溴酚蓝,正如上面所讨论的。因此,荧光桃红B改善了吸收和注入能力与溴酚蓝相比,导致更大的价值。

3.4。地面和激发态性质

确保电子可以有效地注入TiO的导带₂(约−4.0 eV) [51),LUMO能级必须高于TiO的传导带的边缘₂必须低于我,HOMO能级⁻/电解液(−4.85 eV) [46]。金属氧化物半导体的能级和能源缺口溶剂,研究了利用DFT / B3LYP /我感觉(d)方法。能量水平和HOMO-LUMO差距呈现在图8和计算数据表中列出4。荧光桃红B、最高占据钼(HOMO)−5.44 eV和最低未占据莫(LUMO)−2.64 eV。溴酚蓝,HOMO−6.63 eV, LUMO−1.77 eV。荧光桃红B的带隙小于溴酚蓝,意义有吸收红移荧光桃红从图8看来,荧光桃红B的lumo和溴酚蓝都高于TiO的导带₂,这意味着电子注入可以从兴奋的染料TiO发生₂,细数两种染料都比我低⁻/(见图8);因此,两个染料可以获得电子的复苏。

分子非线性光学性质与外部电场有着密切的关系。它反映了分子内电荷转移(ICT)的特征,从而影响电子注入效率和灯电流。第一个推导()成正比的不同偶极矩()之间的基态和激发态跃迁偶极矩(),它转变能量成反比。首先推导可以写成如下(53]: 在哪里和差异在基态和激发态偶极矩和过渡偶极子,跃迁能。首先推导计算,列在表中5。的荧光桃红B高于溴酚蓝。表1和图7支持本文的结果。图7显示的值荧光桃红B比溴酚蓝;与此同时,荧光桃红B较小的激发能,所以荧光桃红B与明显的ICT较大的推导。

3.5。染料的荧光光谱

辐射寿命(在DSSCs)发挥了重要作用,它可能影响电荷复合(54]。可以计算如下(55]: 在这里,是光速,是振子强度,是荧光的能量。荧光桃红B和溴酚蓝的实验谱图所示9和荧光最大值计算振子强度(在a.u),和相对辐射寿命表中列出6。的最大吸收峰荧光桃红B是507海里。振子强度,荧光能量和辐射寿命2.45 eV, 0.6268和6.1410⁻⁹年代,分别。溴酚蓝的吸收峰是385海里。振子强度,荧光能量和辐射寿命3.22 eV, 0.0085和2.6110⁻⁷年代,分别。溴酚蓝的辐射寿命较高(2.6110⁻⁷年代)。但是荧光桃红B是有利于电荷复合54]。

4所示。结论

分子轨道的能量,吸收辐射,摘要LHE,被解决。的振子强度(0.7582),垂直偶极矩(19.80 D),和(−1.82 eV)荧光桃红B是高于溴酚蓝。的,,荧光桃红B 0.61 V, 1.31 mA /厘米²分别,0.52%,高于溴酚蓝。结果表明,更高的荧光桃红B对应较大的偶极矩。这意味着扩大偶极矩是一种可能的方式增加DSSCs。较大的振子强度,更高的摘要LHE,大的绝对值对应于大。这意味着越来越多的振子强度以及更大的绝对值是一个可行的方法来提高。理论和实验之间观察到类似的趋势。荧光桃红B的光伏性能明显高于溴酚蓝。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号2572014 cb31),黑龙江省青年科学基金(批准号QC2013C006),中国国家自然科学基金(批准号11404055和11404055),中国博士后科学基金会(2016 m590270),黑龙江省博士后格兰特(LBH-Z15002),国家大学生创新创业训练计划(批准号201610225099),学术研究训练NEFU本科(批准号KY2015020)。

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