【摘要】：近年來光伏設備是最有希望利用清潔、可再生能源的長期解決方案之一。雖然基于無機半導體的太陽能電池能夠比較高效地利用太陽能,但是這些傳統(tǒng)器件由于生產(chǎn)成本高而限制了其大規(guī)模的商業(yè)化應用。有機太陽能電池和染料敏化太陽能電池具有生產(chǎn)成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點,有機異質(zhì)結(jié)太陽能電池具有激子擴散長度短、給-受體接觸面積大等特點。給-受體構(gòu)成的活性層是決定異質(zhì)結(jié)太陽能電池整體性能的最主要因素。染料敏化劑是染料敏化太陽能電池中的重要組成部分,它的光捕獲能力和電子轉(zhuǎn)移過程直接影響電池的穩(wěn)定性和性能。因此本文第一部分從理論角度研究給-受體異質(zhì)結(jié)界面電子激發(fā)態(tài)的性質(zhì),給出可靠描述電子激發(fā)態(tài)的方法。第二部分內(nèi)容是深入探究有機染料的分子結(jié)構(gòu)與光電性能間的關系。理論研究有機異質(zhì)結(jié)太陽能電池中的電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)有著重要的研究意義。我們找出可靠描述給-受體界面電子激發(fā)態(tài)特性的方法,并且希望能在研究人員設計給受體材料時提供理論依據(jù)和指導。為得出給、受體復合物不同激發(fā)類型(包括電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)、局域激發(fā)和三重態(tài)激發(fā))的可靠描述,以苯-四氰基乙烯復合物作為給、受體復合物的模型體系,用從頭算和密度泛函理論方法計算了該模型體系的激發(fā)態(tài)。我們以量子化學方法EOM-CCSD的計算結(jié)果為基準,以激發(fā)能的絕對誤差平均值和標準差為依據(jù),系統(tǒng)評測了不同方法計算給受體復合物模型體系激發(fā)態(tài)的精度。結(jié)果表明,M11泛函能比其它泛函給出更高的精度,同時,在含時密度泛函(TDDFT)計算中采用Tamm-Dancoff近似(TDA)能進一步提高激發(fā)能的計算精度。M11泛函的計算結(jié)果和其本身的特點表明,在發(fā)展新型泛函中引入動能密度、自旋密度梯度和區(qū)間分離等對激發(fā)態(tài)的準確計算是非常重要的。根據(jù)TDDFT的計算結(jié)果,比較了TDDFT計算中不同泛函對苯-四氰基乙烯復合物電荷轉(zhuǎn)移的描述。在染料敏化太陽能電池中,敏化劑起著吸收光子,產(chǎn)生并傳輸電子的關鍵作用。而光激發(fā)后,電子由敏化劑注入半導體導帶的電荷轉(zhuǎn)移過程直接決定著染料敏化太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率。本文研究的C276、C277、C278三種高效有機染料,均以苯并噻二唑苯甲酸為電子受體,但具有不同電子給體。分析計算結(jié)果表明,敏化劑C277、C278中引入環(huán)烷烴,可以提高染料的光吸收性能、縮小最高占據(jù)分子軌道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)和最低未占據(jù)分子軌道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital,LUMO)間的能級差,同時提高分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。C276、C277、C278中發(fā)生有效的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移激發(fā),使電子從給體轉(zhuǎn)移到受體。與染料單體相比,三種染料吸附TiO_2復合物的光譜發(fā)生了明顯的紅移。C276、C277、C278染料中的電子注入過程是電子從激發(fā)態(tài)染料注入到TiO_2納米團簇。引入二萘嵌苯和環(huán)烷烴的C277、C278與C276相比,HOMO-LUMO能隙更小,LUMO能級靠近TiO_2導帶,同時最大吸收峰對應的振子強度更大,意味著短路電流密度更大,這與實驗結(jié)果是相符的。驗證了引入環(huán)烷烴用于改善有機染料敏化劑的共軛性質(zhì),從而提升有機染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4;TQ610.1
【圖文】：

、受體復合物激發(fā)態(tài)的計算方法及染料敏化劑 C276、C277、C278 的理論道了體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率為 2.7%[展，有機太陽能電池的 PCE 逐步提高[21; 22]，浙江大學的李烯串聯(lián)太陽能電池的 PCE 已經(jīng)達到 8.48%；北京航空航天大出一種新型寬能隙的有機體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其 PCE 達到密歇根大學的 Stephen R. Forrest 課題組制備的有機疊層太到 15%[23]。太陽能電池的工作原理如圖 1.1 所示，主要分為以下幾個過的活性層吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對，即激子；激子擴散到界面處解離；解離的電子和空穴形成自由載流子，載流子移體向陰極方向移動，空穴沿著給體向陽極方向移動，電子和極收集產(chǎn)生光生電流和電壓。

釕染料和鋅染料都有著各自的缺陷，對于性；而鋅染料合成困難，合成過程中使用劇料豐富、高摩爾消光系數(shù)、顏色鮮艷和簡易。因此，使用有機材料改善電池效率，提高電吸引力的研究方向。染料太陽能中的光陽極陽能電池結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示：主要有導電玻光敏染料，電解質(zhì)，對電極五部分組成[50]。并通過外電路形成一個循環(huán)主要經(jīng)過五個過，電子從 HOMO 躍遷到 LUMO；處于激發(fā)導帶中；導帶中的電子在納米晶網(wǎng)格中傳輸子與電解質(zhì)中的離子結(jié)合，相當于電子進入染料使染料再生。中間還會發(fā)生電荷復合的子在表面與進入 TiO2薄膜空穴中的離子復合的染料復合。

驗色散項只依賴于核的自由度，不會影LRHFXE ,SRM11XE 和M11CE 分別表示 HF 交換關聯(lián)。在密度泛函理論發(fā)展中，所有換空穴密度必須積分到零/一，密度別是精確的 HF 交換。函、aug-cc-pVTZ 基組[139]分別優(yōu)化苯和準。優(yōu)化后的苯和四氰基乙烯分子是和四氰基乙烯分子單體分別固定來構(gòu)體分子內(nèi)幾何參數(shù)在形成的復合物中變通過在 Z 方向上固定間距，來構(gòu)建平行體復合物分子間距是 3.3-4.0 [31; 125; 126; 143.5 ,與 TTF-TCNQ[143]和 terthiophene-T

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本文編號：2750463