本文選題：理論化學(xué) + 染料敏化太陽能電池　； 參考：《天津大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：在染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell, DSSC）的研究中，敏化劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于電池的性能至關(guān)重要.論文針對課題組前期合成的多個(gè)系列卟啉分子的差異明顯的光電轉(zhuǎn)換效率，采取理論化學(xué)的方法包括密度泛函理論（DFT）、含時(shí)密度泛函理論（TDDFT）以及波函數(shù)分析方法探索了敏化劑分子結(jié)構(gòu)對DSSC效率的影響因素。 使用密度泛函理論計(jì)算了四苯基β位環(huán)合卟啉3-1~3-4分子的幾何結(jié)構(gòu),對照其光電轉(zhuǎn)化效率,表明卟啉類敏化劑應(yīng)該具備合理的幾何結(jié)構(gòu)，應(yīng)該保證敏化劑豎直單層吸附在光陽極表面。 使用密度泛函理論與含時(shí)密度泛函理論計(jì)算了四苯基β位環(huán)合卟啉3-1~3-4分子和四苯基β位π橋卟啉4-1分子以及稠環(huán)類卟啉4-2分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)，表明激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能級差對于敏化劑的紫外可見吸收光譜有很大的影響，能級差越小，敏化劑能夠利用的太陽能輻射的范圍越廣；卟啉分子的最高占據(jù)軌道（HOMO）分布應(yīng)在供電基團(tuán)上，最低未占據(jù)軌道（LUMO）應(yīng)分布在π橋與錨定基團(tuán)上，這種正確合理的前線軌道分布是敏化劑能夠有理想光電性能的前提條件，只有激發(fā)態(tài)敏化劑可以與二氧化鈦可以建立適當(dāng)?shù)碾娮玉詈�，才可以使光生載流子順利注入二氧化鈦導(dǎo)帶從而產(chǎn)生光電流。 使用密度泛函理論與含時(shí)密度泛函理論計(jì)算了trans-AB卟啉5-1~5-4分子的基態(tài)偶極距和最強(qiáng)激發(fā)態(tài)的振子強(qiáng)度，對照該系列分子不同的光電轉(zhuǎn)化效率，表明卟啉敏化劑與光陽極表面垂直方向的偶極距與DSSC的開路電壓有正相關(guān)關(guān)系；激發(fā)躍遷態(tài)的振子強(qiáng)度決定的光捕獲效率LHE與短路電流有著正相關(guān)關(guān)系。 在實(shí)驗(yàn)分子理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一系列β位異惡唑類卟啉分子6-2~6-5，用于彌補(bǔ)原實(shí)驗(yàn)分子的在前線軌道分布方面的缺陷，進(jìn)行了基態(tài)、激發(fā)態(tài)計(jì)算以及多種波函數(shù)分析，確定了對原有缺陷的彌補(bǔ)效果，預(yù)測了光電效率。 通過對現(xiàn)有苯乙炔基卟啉和芳胺類卟啉等已知實(shí)驗(yàn)分子的理論探索，建立了廣泛緊縮福井函數(shù)，用來解釋卟啉分子基團(tuán)供電能力與光電性能的關(guān)系，結(jié)果表明，，DSSC光電轉(zhuǎn)化效率與卟啉類敏化劑供電能力成正比。
[Abstract]:In the study of dye-sensitized solar cell, the molecular structure design of sensitizer is very important to the performance of the cell. This paper aims at the difference of photoelectric conversion efficiency of several series porphyrin molecules synthesized by our research group. The methods of theoretical chemistry, including density functional theory (DFT), time-dependent density functional theory (TDDFTT) and wave function analysis, were used to explore the influence factors of the molecular structure of sensitizer on DSSC efficiency. The geometric structure of 尾-cyclized porphyrin 3-1 3-4 molecule, Compared with its photoelectric conversion efficiency, porphyrin sensitizer should have reasonable geometric structure. The adsorption of sensitizer vertical monolayer on the surface of photoanode should be ensured. Using density functional theory and time-dependent density functional theory, the molecules of tetraphenyl 尾 cyclized porphyrin 3-1, tetraphenyl 尾-蟺-bridged porphyrin 4-1 and dense rings have been calculated by means of density functional theory and time-dependent density functional theory. The ground and excited electronic structures of porphyrin 4-2 molecules, The results show that the energy level difference between the excited state and the ground state has a great influence on the UV-Vis absorption spectrum of the sensitizer. The smaller the energy level difference, the wider the range of solar radiation can be utilized by the sensitizer. The highest occupied orbital (HOMOO) distribution of porphyrin molecules should be on the power supply group, and the lowest unoccupied orbit LUMO-distribution should be on 蟺 bridge and anchoring groups. This correct and reasonable front-line orbital distribution is the precondition for the sensitizer to have the ideal optoelectronic properties. Only the excited state sensitizer can establish an appropriate electronic coupling with titanium dioxide, Only the photogenerated carriers can be injected into the titanium dioxide conduction band smoothly to produce photocurrent. The ground state dipole distance and the oscillator intensity of the strongest excited state of trans-AB porphyrin 5-1c5-4 have been calculated by using density functional theory and time-dependent density functional theory. Compared with the different photoelectric conversion efficiency of this series of molecules, it is shown that the dipole distance between porphyrin sensitizer and the surface of photoanode has a positive correlation with the open circuit voltage of DSSC. There is a positive correlation between the optical capture efficiency (LHE) and the short-circuit current determined by the intensity of the vibrator in the excited transition state. Based on the experimental molecular theory, a series of 尾 -isooxazole porphyrin molecules 6-2C6-5 have been designed to compensate for the original experimental scores. The defects of the subs in the distribution of the frontier orbits, The ground state, excited state calculation and various wave function analysis are carried out to determine the effect of compensating the original defect and to predict the photoelectric efficiency. Through the theoretical exploration of known experimental molecules such as phenylacetylporphyrin and aromatic amine porphyrin, The extensive contraction Fukui function was established to explain the relationship between the power supply ability of porphyrin molecule group and the photoelectric performance. The results show that the photoconversion efficiency of DSSC is proportional to the power supply ability of porphyrin sensitizers.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4

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本文編號：1992635