研 究 與 實 驗 室
本實驗室長期與其他實驗室合作，利用分子動力學理論及密度泛函理論探討先進鈣鈦礦電池材料及染敏電池材料之優劣。
The I&OM Lab has long-term cooperation with other laboratories, where we utilize density functional theory and molecular dynamics to investigate the pros and cons concerning the advanced materials for perovskite solar cells and dye-sensitized solar cells.Selected paper:
- ACS Appl. Energy Mater., 2023, accepted. (I.F. = 6.959)
- RSC Adv., 2023, 13, 2501-2513. (I.F. 4.036)
- Nano Energy, 2023, 107, 108136. (I.F. 19.069)
- Polymers, 2022, 14 (8), 1580. (I.F. 4.967)
- J. Phys. Chem. C, 2017, 121 (2), 983-992. (I.F. = 4.509)
- Organometallics, 2008, 27, 5212−5220. (I.F. = 3.815)
為了有效地控制染料分子的分子特性，科學家們必須對電池材料進行縝密的分子結構設計，因此需要仔細研究分子的結構-性質關係。 我們專注於對新提出的高發電效率太陽能電池的分子結構進行密度泛函和分子動力學研究。
光電材料開發
研究了一系列 pi-擴展的 salophen 型席夫鹼鋅 (II) 配合物，例如鋅-salophen 配合物 (ZSC)，以用於染料敏化太陽能電池的潛在應用。 ZSC 染料採用線性、X 或 p 形幾何形狀，通過 1 個供體/1 個受體或 2 個供體/2 個受體的功能化來實現推拉型分子結構。 利用密度泛函理論 (DFT) 和時間相關密度泛函理論 (TDDFT) 研究了前線分子軌道、光捕獲特性以及針對供體/受體基團區域特異性取代的電荷轉移特性。 結果表明，與結構相似的紫質染料 YD2-o-C8 相比，所有 D-ZnS-p-A 幾何結構的 ZSC 染料（其中 D、S 和 A 分別表示供體、salophen 配體和受體）表現出相對較低的 HOMO 能量 C8。 由於電荷轉移 (CT) 性能較差，自然躍遷軌道 (NTO) 和電子空穴分離 (EHS) 方法可清楚地區分線性型 YD 系列染料與 CL、AJ1 和 AJ2 系列染料。 相比之下，pi 形 AJ2 系列和 X 形 AJ1 系列染料以更強的 CT 特性、更寬的紫外-可見吸收以及僅通過取代對乙炔基苯甲酸 (EBA) 即可調節帶隙的方式優於其他染料 和芳胺供體分別位於 salophen 7,8 和 2,3,12,13-位置。 EHS 和計算出的激子結合能都表明具有氨基供體的 ZSC 染料的 CT 特徵強度呈趨勢 TPA > AN > DPA。 這項工作為具有鋅-沙洛芬主鏈的高效染料的分子設計提供了清晰的例證。
光電材料開發
在染料敏化太陽能電池 (DSC) 的研究中，開髮染料關鍵特性的計算預測對於確定有希望的候選物非常必要。在這項工作中，我們報告了兩對有機染料分子從 TiO2 到陽離子染料的基於第一性原理的、理論上估計的電荷再結合速率 (CR rate)。由最近開發的multi-state fragmentation charge difference (msFCD) 方案，連同長程校正的時間相關密度泛函理論，用於計算電子耦合。 msFCD 方案去除了電荷轉移狀態中的局部激發分量，並生成可接受的非絕熱狀態。範圍分離的 ωPBE 和 BNL 泛函對於電荷轉移問題很有用，結果在很大程度上與 TiO2 染料結合模式無關。 CR 與氧化染料 (CRD) 的比率遵循與實驗結果相似的趨勢。一般來說，重組能 (λ) 和自由能 (ΔG0) 的差異對電子轉移速率有很大影響。然而，電子耦合強度也可能在 CRD 速率中對 (λ+ΔG0) 起主導作用。我們報告了一種普遍適用的 ab initio 方法來預測 CRD 率，並探討了耦合因子在 DSC 性能中的潛在作用。
光電材料開發
合成了一系列鋅卟啉染料 YD22-YD28 並用於染料敏化太陽能電池。染料 YD26-YD28 由作為核心單元的鋅卟啉 (ZnP)、作為給電子基團的芳胺 (Am) 和作為吸電子/錨定基團的對乙炔基苯甲酸 (EBA) 組成。染料 YD22-YD25 包含額外的苯乙炔基 (PE)，橋接在 Am 和 ZnP 單元之間。通過光物理和電化學研究以及密度泛函計算研究了 PE 單元對分子特性和光伏性能的影響。隨著PE單元的插入，染料YD22-YD25在顯著紅移Q帶吸收方面具有更好的光捕獲特性。由於較大的 JSC 產量，染料 YD22-YD25 的轉化效率優於染料 YD26-YD28。使用自然躍遷軌道和馬利肯電荷分析來分析卟啉染料在時間依賴的 DFT 計算中的電子注入效率。結果表明，由於加寬和紅移吸收，插入額外的 PE 單元有利於提高光捕獲性能，從而提高 JSC。