染料敏化太陽電池中染料的激發態超快動力學

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) C210、(b) C214和(c) C216吸附在TiO2薄膜上的時間分辨發光光譜。(d) C210、(e) C214和(f) C216：全局分析獲得的演化相關發光光譜(EAPL)。(g) C210、(h) C214和(i) C216：歸一化的演化相關發光光譜(normalized EAPL)。染料C210、C214和C216波長相關的平均時間常數：(j) THF溶液、(k) PhMe溶液、(l) PMMA薄膜表面、(m) PS薄膜表面、(n) 氧化鋁表面吸附、(o) 二氧化鈦表面吸附

超 快 時 間 分 辨 光 譜 (ultrfast time-resolved spectroscopy)在飛秒甚至皮秒至納秒時間尺度通過光譜技術探究超快的物質運動和變化，可用于研究激發態、過渡態的的瞬時結構變化和能量變化，可以獲得化學反應的實時物理圖象。該技術誕生于1987年，并于1999年獲得諾貝爾化學獎1,2，目前已廣泛應用于分子激發態、光化學反應、光電光伏材料中的能量轉移和電荷轉移、納米材料瞬態過程表征、生命科學等諸多領域。

染料敏化太能電池中，二氧化鈦/染料/電解質界面光伏轉換與電荷轉移是其核心過程，研究染料分子吸收光后產生激發態的吸收和發射光譜的超快動力學特征對優化材料設計、理解光伏轉換具有重要價值3-10。

最近，中國科學院長春應用化學研究所董獻堆課題組和天津理工大學張敏教授合作，使用超快時間分辨光譜研究了核心共軛基團分別為并呋喃、并噻吩及并硒酚的三個有機染料C210、C214和C216的激發態及電荷轉移動力學。通過在四氫呋喃(THF)及甲苯(PhMe)溶液、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及聚苯乙烯聚合物(PS)、離子液體電解質為Z952-CBSO的氧化鋁及二氧化鈦薄膜等多種不同媒介中的激發態動力學對比研究，發現伴隨電荷分離和注入過程，非平衡激發態會發生分子內分布馳豫，表現為超快熒光上的動態斯托克斯位移現象，平衡激發態對電荷分離和注入過程有最大貢獻。該研究工作近期已在物理化學學報上在線發表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201709082)11。該工作對研究激發態馳豫變化過程對染料分子設計、理解染料敏化太陽電池機理、優化器件性能的影響提供了幫助。

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