本文選題：染料敏化太陽能電池 + 密度泛函理論��； 參考：《吉林大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cells，DSSCs）是模擬自然界光合作用原理，利用染料分子吸收太陽光從而將光能轉(zhuǎn)化為電能的新一代可持續(xù)的光電設(shè)備，具有光電轉(zhuǎn)化效率高、熱穩(wěn)定性好、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。染料敏化劑在DSSCs中負(fù)責(zé)收集光子和分離激子，其光譜吸收和軌道能級(jí)性質(zhì)在很大程度上決定了電池的光電轉(zhuǎn)化效率，故而開發(fā)高性能的染料是研究DSSCs的一個(gè)重要方向。本論文通過密度泛函理論的方法，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了一系列基于鋅卟啉和三苯胺的給體-共軛-受體（D-π-A）型有機(jī)染料分子，通過在分子結(jié)構(gòu)中的π共軛橋中引入噻吩環(huán)和吸電子的雜環(huán)基團(tuán)（如吡咯并吡咯二酮、苯并噻唑等）以及使用不同的受體錨定基團(tuán)，對(duì)分子進(jìn)行改性，調(diào)整分子的電子性質(zhì)和吸收性質(zhì)，系統(tǒng)研究了不同的共軛基團(tuán)和受體與染料分子性質(zhì)及電池性能間的相互作用。本文希望通過理論的方法為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更高效率的染料敏化劑提供理論支持。 本文一共分為五章，第一章為前言，包括了染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理的概述、能夠影響具體電池效率和性能的因素、以及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)和合成新型高效有機(jī)染料敏化劑分子的策略。第二章為基礎(chǔ)理論方法的說明，涵蓋了量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論以及主要的量子化學(xué)計(jì)算方法。第三章到第五章則是對(duì)已有的或自行設(shè)計(jì)的染料分子進(jìn)行光電性質(zhì)的模擬和研究。主要研究?jī)?nèi)容介紹如下： 1.我們使用密度泛函理論（DFT）和含時(shí)密度泛函理論（TDDFT）方法對(duì)一系列meso位取代的鋅卟啉衍生物的基態(tài)優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、分子軌道能級(jí)和吸收光譜的性質(zhì)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，在卟啉衍生物的π橋中引入噻吩基團(tuán)會(huì)增加軌道劈裂，，并會(huì)顯著改變分子的吸收特性。當(dāng)π橋中只包含一個(gè)噻吩基團(tuán)時(shí)，體系的Soret吸收帶的振子強(qiáng)度要強(qiáng)于其他分子。噻吩鏈長(zhǎng)度的增加只會(huì)改變的特定吸收帶增強(qiáng)的范圍。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果也證明在卟啉環(huán)上引入一個(gè)額外的給電子的二苯胺基團(tuán)，將會(huì)大大降低HOMO-LUMO能帶差，并會(huì)促進(jìn)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的進(jìn)行。此外二苯胺取代的鋅卟啉衍生物的LUMO軌道能級(jí)更接近TiO2的導(dǎo)帶邊緣并且其吸收光譜也有較大的紅移。 2.在本章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列具有給體-共軛橋-受體構(gòu)型（D-π-A）的有機(jī)染料分子，并將其作為染料敏化劑應(yīng)用在染料敏化太陽能電池中。通過密度泛函理論和含時(shí)密度泛函理論的計(jì)算，我們揭示了額外的吸電子的吡咯并吡咯二酮基團(tuán)和π共軛橋中官能團(tuán)順序?qū)θ玖戏肿有再|(zhì)，如光譜響應(yīng)、光捕獲效率以及電子注入速率等造成的影響。計(jì)算結(jié)果表明，輔助受體的引入會(huì)導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移吸收帶發(fā)生很大的紅移。同時(shí)，通過改變?chǔ)泄曹棙蛑朽绶曰鶊F(tuán)的數(shù)目和排列順序可以極大地調(diào)整軌道能級(jí)水平，進(jìn)而改變電子躍遷發(fā)生的過程。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噻吩基團(tuán)處于給體基團(tuán)和吡咯并吡咯二酮基團(tuán)之間時(shí)會(huì)有助于光吸收和電子注入效率的提高。此外我們還發(fā)現(xiàn)供體-受體-π-受體型（D-A-π-A）染料分子具有間接的電子注入模式，這與D-π-A染料的直接注入模式不同。 3. D-A-π-A染料具有諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括優(yōu)化的能量水平、良好的光電性能以及得到明顯改善的染料穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)輔助受體和受體基團(tuán)，基于D-A-π-A型染料敏化劑的染料敏化的太陽能電池的效率可以得到進(jìn)一步的提高。本章節(jié)中，基于密度泛函理論方法，我們引入不同的輔助受體基團(tuán)和受體基團(tuán)設(shè)計(jì)了十六個(gè)基于二甲氧基取代的三苯胺的D-A-π-A染料分子，并將其與D-π-A構(gòu)型的染料分子進(jìn)行了對(duì)比。在優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上，對(duì)所有的染料分子的性質(zhì)，如分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移、光捕獲效率、電子注入動(dòng)力學(xué)、電荷重組以及垂直偶極矩等，進(jìn)行了理論上的研究，在這些性質(zhì)基礎(chǔ)上篩選出可能會(huì)產(chǎn)生高效率的染料分子。然后，我們對(duì)所選的染料分子與電解質(zhì)中的電子受體之間的相互作用進(jìn)行了探討，揭示了部分界面電荷重組過程。與其它設(shè)計(jì)的染料分子相比，TNA4分子將是一個(gè)值得期待的染料分子，在評(píng)價(jià)太陽能電池的關(guān)鍵參數(shù)上該分子表現(xiàn)較好。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)2-（1,1-二氰基亞甲基）繞丹寧基團(tuán)將會(huì)是一個(gè)比常用的氰基丙烯酸更值得期待的受體錨定基團(tuán)，從而應(yīng)用于DSSCs中。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O621.13;TM914.4

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1762256