【摘要】：由于化石能源不可再生,且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,開發(fā)清潔綠色能源迫在眉睫。密度泛函理論作為一種高效的理論研究方法,可以準(zhǔn)確地利用計(jì)算機(jī)模擬為手段設(shè)計(jì)功能材料,可以為材料相關(guān)性能的研究提供有價(jià)值的指導(dǎo),有效降低實(shí)驗(yàn)成本,縮短研究周期。本文通過密度泛函理論和含時(shí)密度泛函研究了固態(tài)儲(chǔ)氫材料以及有機(jī)太陽能電池:(1)創(chuàng)新性的運(yùn)用了類動(dòng)力學(xué)模擬,研究倍半硅氧烷籠子的儲(chǔ)氫性能,為研究可安全運(yùn)輸、有高吸附量的儲(chǔ)氫材料提供理論基礎(chǔ);(2)通過理論模擬探究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的影響,研究了SubPc/C70的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)太陽能電池開路電壓以及吸收光譜的影響,為提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供參考,取得了以下創(chuàng)新性研究結(jié)果:(1)運(yùn)用密度泛函理論研究了T8、T10、T12(D_(2d),D_(6h))四個(gè)籠子的儲(chǔ)氫性能,包括籠子對(duì)氫分子的吸附和封裝。我們計(jì)算比較了四個(gè)籠子的比表面積及籠子對(duì)氫氣的吸附能力,發(fā)現(xiàn)倍半硅氧烷籠子的氧原子和面心是主要的氫吸附點(diǎn)。使用類動(dòng)力學(xué)模擬來研究籠子對(duì)氫分子的封裝過程,并計(jì)算不同溫度下的焓和吉布斯自由能等熱力學(xué)參數(shù),發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)條件下其焓和吉布斯自由能的能壘比較低,氫分子插入T12(D_(6h))籠中的過程幾乎是能量守恒的。通過過渡態(tài)理論計(jì)算證明T12(D_(6h))是勢壘最低最適合儲(chǔ)氫的籠子,勢壘僅為13.2 kJ/mol,且T12(D_(6h))的比表面積達(dá)到4093.3 m~2/g,吸附量達(dá)到7.55 wt%,對(duì)每個(gè)氫氣的吸附能是0.05 eV。除此之外,T12(D_(6h))籠子內(nèi)部還可以穩(wěn)定封裝一個(gè)H_2分子,是非常理想的儲(chǔ)氫材料,為研發(fā)新的儲(chǔ)氫材料提供了有價(jià)值的參考。(2)運(yùn)用密度泛函理論和含時(shí)密度泛函研究了SubPc/C70微觀結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)太陽能電池光電性能的影響。根據(jù)SubPc/C70的結(jié)構(gòu)特性,探究不同位置取向、分子排列對(duì)SubPc/C70電池的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)和開路電壓的影響,以及C70的對(duì)稱性和SubPc的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)界面處吸收光譜等激發(fā)態(tài)性質(zhì)的影響,包括吸收波長和振動(dòng)強(qiáng)度。我們建立不同的SubPc/C70二聚體(“bed”結(jié)構(gòu)、“umbrella”結(jié)構(gòu))模型,采用長程矯正密度泛函在可極化連續(xù)模型下進(jìn)行模擬,得到的計(jì)算結(jié)果顯示,不同構(gòu)型二聚體之間的Voc變化可以達(dá)到0.45 V,且由于構(gòu)型的改變,可見光區(qū)的吸收強(qiáng)度可增加一倍。我們發(fā)現(xiàn),B-P模型具有最大的開路電壓,B-V構(gòu)型具有最佳的光子吸收能力,可見不同結(jié)構(gòu)配置的SubPc/C70太陽能電池的開路電壓和吸收光譜都有顯著區(qū)別。此外,我們的結(jié)果表明,考慮到SubPc/C70太陽能電池中光子吸收和開路電壓的強(qiáng)度,最穩(wěn)定的構(gòu)型U-V并不是最好的選擇。研究給體受體之間的微觀構(gòu)型對(duì)有機(jī)太陽能電池光電性能的影響,可以為設(shè)計(jì)有機(jī)太陽能器件及提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供參考和借鑒。
【圖文】：

1.3.1.1 單層結(jié)構(gòu)單層結(jié)構(gòu)是有機(jī)太陽能電池最簡單的結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)電極之間有一層有機(jī)半導(dǎo)體材料的單層有機(jī)太陽能電池。如圖1-1(a)所示。常用的陽極材料是氧化銦鋅(ITO)，陰極是具有低功函數(shù)的銀、鋁、鈣和鎂等。由于兩個(gè)電子之間的功函數(shù)差，在有機(jī)層的兩端形成了肖特基勢壘。在光照條件下，有機(jī)半導(dǎo)體材料吸收光子導(dǎo)致電子被激發(fā)到 LUMO 能級(jí)，而空穴留在 LUMO 能級(jí)，即產(chǎn)生了激子。肖特基勢壘使得激子分離產(chǎn)生電子和空穴，然后電子傳輸?shù)疥帢O、空穴傳輸?shù)疥枠O。有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)激子的擴(kuò)散長度較小，僅為 1~10nm[46,47]

太陽能電池工作原理太陽能電池中最常用的結(jié)構(gòu)是本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)型有機(jī)轉(zhuǎn)換過程通常有以下幾個(gè)過程，如圖 1-2 所示：產(chǎn)生：當(dāng)太陽光照射到有機(jī)太陽能電池上，活性層材料吸收光料的最高占據(jù)分子軌道（HighestOccupiedMolecularOrbital，簡稱低未被占據(jù)分子軌道（LowestUnoccupiedMolecularOrbital，簡稱激子。這要求活性層給體材料對(duì)光子有較好的吸收性能，包括合高的吸收強(qiáng)度。擴(kuò)散：給體材料吸收光子產(chǎn)生激子后，激子會(huì)擴(kuò)散到給體受體到給受體界面的途中容易發(fā)生復(fù)合，通過發(fā)光和無輻射躍遷重到達(dá)界面處的激子才有可能被分離成自由載流子。通常有機(jī)材料只有 10 nm 左右，這要求活性層中給體和受體材料分離的尺寸未到給受體界面激子就會(huì)在庫倫相互作用下復(fù)合猝滅。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34;TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 周素芹;程曉春;居學(xué)海;朱小紅;;儲(chǔ)氫材料研究進(jìn)展[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào);2010年05期

2 周理,周亞平;關(guān)于氫在活性炭上高壓吸附特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];中國科學(xué)(B輯 化學(xué));1996年05期

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本文編號(hào)：2614322