用于p型染料敏化太阳能电池的尖端染料：1,8-萘酰亚胺衍生物的理论研究

《Journal of Computational Electronics》：Cutting-edge dyes for p-type dye-sensitized solar cells: a theoretical study of 1,8-naphthalene imide derivatives

本研究设计了一种基于1,8-萘酰亚胺的金属-free有机染料，用于提升p型染料敏化太阳能电池（DSSC）效率。通过DFT和TD-DFT计算，发现不同连接基团（苯并噻二唑、苯环等）调控了染料的HOMO和LUMO能级，优化了电荷注入与再生过程。实验表明，苯并噻二唑和苯环连接的染料因增强光吸收、电荷分离及减少复合损失，显著提高电池效率，为串联DSSC的高性能光敏剂设计提供新思路。

　　

摘要

我们报告了对基于1,8-萘酰亚胺的设计染料在p型染料敏化太阳能电池（p-DSSCs）中应用的理论研究。这些设计染料是无金属的有机分子，结合了咔唑供体、萘酰亚胺受体和氰羧酸锚定基团。为了改变其性能，引入了不同的连接基团，包括苯并噻二唑、苯基、呋喃和噻吩。我们使用五种不同的p型半导体（CuO、Cu₂O、CuGaO₂、CuCrO₂和CuAlO₂）以及六种基于钴和铜复合物的电解质，对p-DSSCs进行了理论评估。计算分析采用了密度泛函理论（DFT）和时依赖密度泛函理论（TD-DFT）方法。对于所有设计的染料，其最高占据分子轨道（HOMO）能级均位于半导体的价带以下，而最低未占据分子轨道（LUMO）能级则位于电解质的氧化还原电位以上。这种能级排列确保了空穴的注入和染料的再生。结果表明，尤其是含有苯并噻二唑和苯基连接基团的染料，通过增强光吸收、有效分离电荷和减少复合损失，有望提高p-DSSC的效率。这些发现为高性能p型光敏剂在串联DSSC应用中的设计提供了宝贵的见解。