【摘要】：為了追求更清潔和更經(jīng)濟(jì)的可再生能源,染料敏化太陽(yáng)能電池(DyeSensitized Solar Cells,DSSCs)的研究成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。DSSCs具有成本低,可變性強(qiáng),容易得到,效率高等優(yōu)點(diǎn)。與有機(jī)金屬染料敏化劑相比,有機(jī)染料敏化劑具有高摩爾吸收系數(shù),簡(jiǎn)單易合成,環(huán)境友好和低成本等優(yōu)點(diǎn),成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。論文以染料敏化劑的工作原理為依據(jù),選擇以咔唑類衍生物為電子供體,苯并噻二唑?yàn)轭~外的受體引入,噻吩、二聯(lián)噻吩、三聯(lián)噻吩、呋喃或苯基為π橋鍵,以氰基丙烯酸或以氰基替代氰基丙烯酸的羧基或以鄰硝基苯甲酸替代氰基丙烯酸的羧基為受體,設(shè)計(jì)了五個(gè)系列共15個(gè)“D-A-π-A”咔唑類染料敏化劑,使用密度泛函理論(Density Functional Theory,DFT)和含時(shí)密度泛函數(shù)理論(Time-dependent DFT,TD-DFT)計(jì)算分析了染料敏化劑的基態(tài)幾何參數(shù),前線分子軌道(Frontier Molecular Orbitals,FMOs),吸收光譜和激發(fā)態(tài)等,分析了染料分子結(jié)構(gòu)與光電性能的關(guān)系。以N-丁基咔唑?yàn)殡娮咏o體,苯并噻二唑作為附加受體,噻吩基或聯(lián)噻吩或三聯(lián)噻吩或呋喃基或苯基作為π-橋,氰基丙烯酸作為受體,設(shè)計(jì)了五種具有不同π-橋的咔唑染料敏化劑。結(jié)果表明,具有噻吩或呋喃作為π-橋的染料敏化劑比以苯作為π-橋的染料敏化劑具有更好的共面性,更有利于電子的傳輸。所有咔唑類染料敏化劑都具有合適的最高占據(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)能級(jí),可以受到太陽(yáng)光的激發(fā),順利將電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去。隨著π橋的長(zhǎng)度增加,染料敏化劑的HOMO能級(jí)越高,HOMO-LUMO能級(jí)差(Eg)越小,空穴傳輸能力越強(qiáng)。前線分子軌道顯示所有染料敏化劑分子的HOMO主要離域于供體咔唑和苯并噻二唑上,LUMO主要離域于“A-π-A”結(jié)構(gòu)上。所有TYZ-1~5的HOMO和LUMO在π-橋上具有有效的重疊,電子受太陽(yáng)光照射激發(fā)很可能是從HOMO到LUMO。這一結(jié)果被TD-DFT的結(jié)果進(jìn)一步證明是正確的。吸收結(jié)果還表明從HOMO到LUMO的激發(fā)占主要貢獻(xiàn)(大于95.5%)。除TYZ-5以外的所有染料的PCE均大于5.0%。咔唑染料的所有激發(fā)態(tài)幾何形狀具有比基態(tài)更好的平面性。五種染料敏化劑SS在51.9至98.1 nm之間,很大程度上降低了自吸收的可能性。因此,所有咔唑染料敏化劑,特別是TYZ-2和TYZ-3具有較好的光電性能,可以用作DSSCs中的有希望的候選物。在TYZ-1、TYZ-2、TYZ-3、TYZ-4、TYZ-5的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,以氰基和鄰硝基苯甲酸取代羧基設(shè)計(jì)了五個(gè)系列“D-A-π-A”結(jié)構(gòu)染料分子。所有染料敏化劑的紫外-可見(jiàn)光吸收光波峰都在550~650 nm之間。且對(duì)于五元環(huán)為橋的4個(gè)系列的化合物,其λabs都是鄰硝基苯甲酸取代羧基作為受體的染料敏化劑分子的吸收波長(zhǎng)最長(zhǎng),這可能是因?yàn)猷徬趸郊姿嶂斜交鲩L(zhǎng)了共軛鏈,分子吸光發(fā)生紅移。而以苯為π橋的系列Ⅴ鄰硝基苯甲酸的引入反而使得TYZ-5-2的λabs發(fā)生了藍(lán)移,這是因?yàn)閮蓚�(gè)苯環(huán)之間有較大的夾角,反而破壞了分子的平面性,從而使得吸收光譜發(fā)生藍(lán)移。具有最長(zhǎng)π橋(三聯(lián)噻吩)且與TiO2相連的受體鄰硝基苯甲酸的染料分子TYZ-3-2(λabs=648.76 nm,λemi=743.56 nm,PCE=5.8%)在我們?cè)O(shè)計(jì)的15個(gè)染料敏化劑分子中具有最好的光學(xué)性質(zhì),很可能成為DSSCs的很好的候選者。
【圖文】：

圖 1.1 各種太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展和最高轉(zhuǎn)換效率Fig.1.1 The progress of various solar cell research and the highest conversion efficiency

圖 1.2 DSSCs 工作原理示意圖Fig.1.2 Fundamental processes in DSSCs以上轉(zhuǎn)換步驟可以得知，要提高染料敏化劑的光電轉(zhuǎn)化性能，就態(tài)電子的產(chǎn)生和提高電子的傳輸效率，與此同時(shí)又要抑制電子的的產(chǎn)生，，這也是目前 DSSCs 研究工作的重點(diǎn)，如果能突破這個(gè)
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O626;TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 馬洪芳;王小蕊;馬芳;丁嚴(yán)廣;王振;;TiO_2光陽(yáng)極染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展[J];電子元件與材料;2013年04期

2 張富春;鄧周虎;閻軍鋒;張志勇;;ZnO電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2006年08期

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本文編號(hào)：2554828