本文關(guān)鍵詞：Lindqvist型和Keggin型多酸基光敏染料的電子性質(zhì)和光伏性能的理論研究

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【摘要】：多金屬氧酸鹽(POMs)簡稱多酸,是一類由過渡金屬通過氧連接而成的金屬氧簇,因其具有結(jié)構(gòu)種類的多樣性和物理化學(xué)性質(zhì)的獨特性,多酸化合物在材料科學(xué)、催化、電磁學(xué)以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。另外,多酸是良好的電子受體,而且具有較高的穩(wěn)定性,在染料敏化太陽能電池(DSSCs)中有潛在應(yīng)用。尋找合適的染料敏化劑,進而提高DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率是DSSCs研究的核心問題。采用量子化學(xué)計算方法探討多酸化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系,對進一步掌握這類化合物的性質(zhì),指導(dǎo)實驗合成以及拓展其應(yīng)用都具有重要意義。近年來,密度泛函理論(OFT)和計算機技術(shù)不斷發(fā)展和更新,這為設(shè)計性能優(yōu)異的多酸基光敏染料提供了重要的前提條件。本論文采用DFT和含時DFT(TDDFT)方法,以實驗合成的Keggin型鎢酸鹽和Lindqvist型鉬酸鹽為基礎(chǔ),設(shè)計了一系列多酸基光敏染料,對其電子性質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)、光譜性質(zhì)和光伏性能進行理論研究。通過分析多酸基衍生物的光譜性質(zhì)與其電子性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,闡明多酸基衍生物作為DSSCs光敏劑的微觀本質(zhì)。主要的研究工作包含以下三個方面：(1)采用DFT和TDDFT方法系統(tǒng)地研究了過渡金屬取代的Keggin型磷鎢酸鹽染料的電子性質(zhì)、吸收光譜以及相關(guān)性能參數(shù)。結(jié)果表明,與實驗合成的體系[PW11O39RhCH2COOH]5- (1)相比,體系[PW11O39MCH2COOH]5-/4- (M= RuⅡ (2), IrⅢ (3), OsⅡ(4), CoⅢ(5))的吸收光譜均有所紅移,其中M為OsⅡ的體系4的吸收光譜在可見光區(qū)域有寬而強的吸收。此外,體系4具有較高的電子注入效率和光捕獲效率,有望成為性能良好的染料敏化劑。(2)采用DFT和TDDFT方法對一系列具有供電子基團和吸電子基團的六鉬酸鹽衍生物染料的光捕獲效率,染料再生效率,電荷重組效率,空穴注入效率以及重組能進行研究。結(jié)果表明,連有供電子基團的染料(體系1-3)的最大吸收峰相比于連有吸電子基團的染料(體系4和5)發(fā)生了紅移。綜合考慮各項參數(shù),預(yù)測體系1(-NH2)具有最好的性能。因此,在多酸基有機-無機雜化材料中引入氨基(-NH2)有可能提高染料敏化太陽能電池的效率。(3)理論設(shè)計了一系列雙D-π-A結(jié)構(gòu)的六鉬酸鹽有機胺衍生物(體系1-6),采用DFT和TDDFT方法對體系的能級、吸收光譜、電子躍遷性質(zhì)以及相關(guān)的性能參數(shù)進行了系統(tǒng)地研究。結(jié)果表明,體系1-6的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能級低于NiO的價帶(VB),有利于空穴注入半導(dǎo)體；體系1-6的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)能級高于I-/I3-的氧化還原電位,有利于染料再生。體系5引入噻吩作為π橋,在300-750 nm的范圍內(nèi)有三個較強的吸收峰,噻吩的引入很大程度上提高了體系的光吸收強度。體系5的空穴注入能、染料再生能和電荷重組能相對較小,有利于空穴注入和染料再生,因此,噻吩的引入改善了體系的光伏性能。綜上所述,可以預(yù)測體系5具有較好的性能,在雙D-π-A結(jié)構(gòu)的六鉬酸鹽有機胺衍生物中引入噻吩可以提高DSSCs的效率。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O641.4

【參考文獻】

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本文編號：1263683