基于系统共敏化与π桥延伸策略提升染料敏化太阳能电池性能的理论研究

本文通过密度泛函理论（DFT）系统探讨了RK1与D205染料的共敏化体系及π共轭桥延伸对染料敏性太阳能电池（DSSCs）性能的增强机制。研究表明，H-H构型共敏化体系具有优异的光捕获效率与电荷分离速率，延伸π桥可显著改善分子平面性并拓宽光谱响应，为高性能DSSCs的设计提供重要理论指导。

　　

Highlight

系统共敏化和π共轭体系延伸被公认为提升染料敏化太阳能电池（DSSCs）性能的两大关键策略。本研究采用密度泛函理论（DFT）模拟了实验合成的RK1和D205分子，并评估了它们的共敏化体系性能。进一步基于RK1骨架通过延伸π共轭桥进行分子设计，从而系统探索了通过系统共敏化和π共轭延伸提升DSSC性能的微观机制。

Computational background

光电转换效率（η）是衡量DSSC性能的关键指标：

η = V_ocJ_scFF / P_inc

其中，短路电流密度（J_sc）、开路电压（V_oc）和填充因子（FF）的计算公式如下：

J_sc = ∫eLHE(λ)φ_injη_collI_s(λ)dλ

V_oc = (E_CB + ΔE_CB)/e + (K_BT/e)ln(n_c/N_CB) – E_redox/e

FF = I_mV_m / J_scV_oc

此处，LHE指光捕获效率，主要由摩尔吸光系数和吸附能力决定；φ_inj和η_coll分别表示电子注入效率和收集效率。

Geometric structure analysis

所研究染料分子的结构如图1所示。具体而言，线性分子RK1采用D-π-A-A构型：TPA（三苯胺）作为给体，噻吩作为π桥，BTD（苯并噻二唑）作为辅助受体，2-氰基-3-苯基丙酸作为受体。庞大分子D205则以1,2-三苯乙烯为给体，六氢环戊[b]吲哚为π桥，受体中的羧基作为与TiO₂结合的锚定位点。

Conclution

本研究采用DFT和TD-DFT模拟了已合成的RK1和D205分子，并评估了其共敏化体系性能。单独分子的性能分析表明，RK1具有更优的平面性、光学性质和电荷转移能力，从而带来更高的光电转换效率（PCE）。共敏化体系的模拟结果显示，相较于单分子体系，该体系表现出更显著的红移吸收光谱和增强的光电性能。