不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法

1.本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，涉及不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征是设计一系列不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂，并利用密度泛函理论(dft)和含时密度泛函理论(td-dft)研究其基态和激发态性质，进而从理论上预测不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂的光电性能。


背景技术：

2.咔咯及其衍生物引起了人们极大的关注，并且大量的研究主要集中在其光物理性质方面。许多研究者通过调整咔咯环上的取代基的取代位置来调节一些咔咯化学物的光电性质，进而扩宽其在不同研究领域的应用。太阳能是重要的可再生资源，现有的光伏产业就是将太阳能加以利用的产业，其中染料敏化剂是光伏器件中重要的组成部分。因此，如果能够利用咔咯为基本单元，设计新型的太阳能染料，有望获得具有更好光电性能的太阳能染料电池。利用计算机技术，在理论上设计分子并进行物理化学性质的研究，筛选出符合期望的分子，进而以理论计算为参照，进行分子的合成实验，极大减少工作量，大大缩短染料分子的研发周期，开发出造价低、环境友好、性能优异的染料敏化剂。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，从理论的角度帮助实验方法的设计。
4.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.一种不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，该预测方法具体按以下步骤进行：
6.1)采用供体-π桥-受体的结构设计基于镓咔咯的染料敏化剂，并构建染料敏化剂的分子模型；利用gaussian 09软件包对气相中的镓咔咯染料敏化剂进行结构优化，通过密度泛函理论比较所有染料分子结构和前线分子轨道；
7.2)使用含时密度泛函理论方法得到镓咔咯染料敏化剂分子的分子内电荷转移性质，通过分子内电荷转移性质差异预测不同空间结构的镓咔咯染料分子的性质；
8.3)根据步骤1)和步骤2)的情况，筛选出具有优异光电性能的镓咔咯基染料敏化剂。
9.步骤(1)具体为通过密度泛函理论，得到镓咔咯染料敏化剂分子的键长、二面角，分析不同空间结构对分子结构的影响；
10.步骤(1)具体为通过密度泛函理论，得到镓咔咯染料敏化剂分子前线轨道电子云密度分布和homo-lumo的能级差大小；分析供体基团、咔咯基团，π桥和锚定基团中homo和lumo的分布情况。
11.优选的，步骤(1)所述密度泛函理论具体为密度泛函理论中的b3lyp方法和6-311g(d,p)基组。
12.步骤(2)具体为，使用含时密度泛函理论，选用极化连续性模型(pcm)模拟溶剂环境；计算受激发后处于基态几何优化状态的镓咔咯染料敏化剂分子的电荷转移长度和转移电荷量，分析分子内电荷转移情况。
13.优选的，所述含时密度泛函理论具体为含时密度泛函理论中的m06方法和6-311g(d,p)基组。
14.优选的，所述溶剂为四氢呋喃。
15.本发明方法有效利用了密度泛函理论方法，对不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂分子模型进行结构优化，并通过含时密度泛函理论方法进行分子内电荷转移性质计算。相比实验能够更快捷更准确的得到基态分子结构、分子内电荷转移等输出信息，有效避免了其他物质的干扰，再依据理论值预测出系列染料分子的性质。本发明方法可以对不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂分子光电性质进行预测，为实验提供一定的理论基础。
附图说明
16.图1本发明方法中所选的三种镓咔咯染料分子结构式。
17.图2本发明方法中所选的三种镓咔咯染料分子的前线分子轨道电荷密度分布。
18.图3本发明方法中所选的三种镓咔咯染料分子前线分子轨道能级分布图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
20.本发明提供一种利用密度泛函理论(dft)和含时密度泛函理论(td-dft)进行预测不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂分子光电性质的方法，具体按以下步骤进行：
21.1)模型构建
22.选择以下三种镓咔咯染料分子(如图1所示)作为研究对象。用gaussview程序构建上述三种镓咔咯染料分子的分子结构。
23.2)基态结构优化
24.采用b3lyp方法和6-311g(d,p)基组，在气相环境中对所选的分子进行结构优化。提取键长及二面角的信息，列表比较，从表1键长数据来看，不同空间结构对镓咔咯染料分子中的键长影响不是很大。二面角的数据可知，不同空间结构的镓咔咯染料分子都具有较好的平面性。在基态结构优化的中获取上述镓咔咯染料分子的前线轨道电子云密度分布图(如图2所示)以及其homo-lumo的能级差的大小(如图3和表2所示)。
25.表1系列镓咔咯染料分子的键长和二面角(
°
)
[0026][0027][0028]
表2镓咔咯染料分子前线分子轨道能量(ev)及能级差eg(ev)
[0029][0030]
从图3计算结果可知，染料a、b和c的homo几乎分布在供体基团和咔咯基团中，而不受连接形式的变化的影响。相比之下，lumo绝大多数被限制在供体基团、咔咯基团，π桥和锚定基团中。尽管设计的染料敏化剂分子的供体-受体相对位置不同，但homo和lumo的分布明显相似。从表2可知，c中的homo-lumo能级差高于a和b二者。
[0031]
3)分子内电荷转移计算
[0032]
使用含时密度泛函理论(td-dft)中的m06方法和6-311g(d,p)基组，选用极化连续性模型(pcm)模拟四氢呋喃溶剂环境，对处于基态几何优化状态的镓咔咯染料敏化剂分子进行激发态计算，并进行分子内电荷转移分析，如表3所示。电荷转移长度(d
ct
)和转移电荷(q
ct
)在内的关键参数定量分析分子内电荷转移特性并在列在表3中。在染料分子中，染料分子b在关键参数q
ct
和d
ct
上表现最好，表明更有效的分子内电荷转移性能。
[0033]
表3计算出的所有染料的d
ct
、q
ct
[0034]
[0035]
本发明方法采用dft与td-dft计算研究了不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂分子的几何构型、分子轨道能级、分子内电荷转移性能。可知不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂分子的结构参数如键长和二面角、电子云密度分布的差异不是很大。相比于染料分子a和c，染料分子b有着更优异的的分子内电荷转移性能，意味着染料分子b可能具有更好的光电性能，是作为太阳能染敏电池染料的更合适候选者。


技术特征：
1.一种不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于，该预测方法具体按以下步骤进行：1)采用供体-π桥-受体的结构设计基于镓咔咯的染料敏化剂，并构建染料敏化剂的分子模型；利用gaussian 09软件包对气相中的镓咔咯染料敏化剂进行结构优化，通过密度泛函理论比较所有染料分子结构和前线分子轨道；2)使用含时密度泛函理论方法得到镓咔咯染料敏化剂分子的分子内电荷转移性质，通过分子内电荷转移性质差异预测不同空间结构染料分子的性质；3)根据步骤1)和步骤2)的情况，筛选出具有优异光电性能的镓咔咯基染料敏化剂。2.根据权利要求1所述的不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于：步骤1)所述通过密度泛函理论比较所有染料分子结构具体为通过密度泛函理论，得到镓咔咯染料敏化剂分子的键长、二面角，分析不同空间结构对分子结构的影响。3.根据权利要求1所述的不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于：步骤1)所述通过密度泛函理论比较所有染料分子前线分子轨道具体为通过密度泛函理论，得到镓咔咯染料敏化剂分子前线轨道电子云密度分布和homo-lumo的能级差大小；分析供体基团、咔咯基团，π桥和锚定基团中homo和lumo的分布情况。4.根据权利要求1所述的不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于：步骤1)所述密度泛函理论具体为密度泛函理论中的b3lyp方法和6-311g(d,p)基组。5.根据权利要求1所述的不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于：步骤2)具体为，使用含时密度泛函理论，选用极化连续性模型模拟溶剂环境；计算受激发后处于基态几何优化状态的镓咔咯染料敏化剂分子的电荷转移长度和转移电荷量，分析分子内电荷转移情况。6.根据权利要求5所述的不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于：所述含时密度泛函理论具体为含时密度泛函理论中的m06方法和6-311g(d,p)基组。7.根据权利要求5所述的不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，其特征在于：所述溶剂为四氢呋喃。

技术总结
本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，具体公开了一种不同空间结构的镓咔咯基染料敏化剂光电性质的预测方法，选择需要预测光电性质的镓咔咯基染料敏化剂；构建分子结构；用密度泛函理论方法进行结构优化，分析染料敏化剂分子的基态结构、前线分子轨道和能级；再使用含时密度泛函理论方法，分析染料敏化剂分子的分子内电荷转移性质，进而预测染料敏化剂分子的光电性质。该预测方法能有效避免其它物质干扰，得到镓咔咯基染料敏化剂轨道能级值、分子内电荷转移性能等，再依据理论值预测出系列镓咔咯基染料敏化剂的光电性质。镓咔咯基染料敏化剂的光电性质。镓咔咯基染料敏化剂的光电性质。


技术研发人员：高龙江 刘海洋
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/22