本文關(guān)鍵詞：幾種新型染料敏化劑的理論設(shè)計及其對DSSCs性能影響的探究

  更多相關(guān)文章： 敏化劑 輔助受體 密度泛函理論 能量轉(zhuǎn)化效率 卟啉

【摘要】：本文首先研究的是非金屬類染料敏化劑。通過改變D-A-π-A型染料敏化劑中輔助受體——苯并噻二唑(BDT)的位置設(shè)計了一系列的新型二氫吲哚染料,并采用密度泛函理論及含時密度泛函理論詳細(xì)研究了它們的性質(zhì)。為了確定出輔助受體在D-A-π-A型染料分子的哪個位置上對光電轉(zhuǎn)換效率最為有利,我們對比分析了新設(shè)計的分子與其母本分子的電子結(jié)構(gòu),光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移特征,激發(fā)態(tài)壽命,吸收光譜性質(zhì),電子注入驅(qū)動力,垂直偶極距以及自然軌道電荷分析。計算結(jié)果表明,輔助受體處于和錨固基團直接相連的位置時更有利于提高染料敏化太陽能的性能。前面的研究主要集中在非金屬染料敏化劑方面,接下來的工作我們主要研究含金屬的染料敏化劑。以鋅卟啉敏化劑分子為例,我們通過在受體部分引入不同雜環(huán)設(shè)計了一系列具有不同強度受體的新型鋅卟啉敏化劑分子。理論結(jié)果表明,引入雜環(huán)的吸電子能力越強,則結(jié)構(gòu)變化后的電子受體越強,并研究了不同強度的受體與光電轉(zhuǎn)換效率的之間的關(guān)系。此外,在三苯胺類染料敏化劑的基礎(chǔ)上,我們通過在供體和π橋之間設(shè)計剛性結(jié)構(gòu)并進一步擴大整個染料分子的共軛程度來探究這種結(jié)構(gòu)的變化對染料敏化太陽能電池性能的影響。我們希望可以為設(shè)計新型高效的敏化劑分子提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。第一部分關(guān)于D-A-π-A型染料分子中輔助受體的位置對染料敏化太陽能電池影響的研究通過閱讀大量實驗文獻(xiàn),我們發(fā)現(xiàn)很多研究者在研究新型的D-A-π-A型染料分子。從中我們發(fā)現(xiàn)D-A-π-A型染料分子中的輔助受體有三種可能的位置:(1)供體和π-橋之間(2)π-橋的中間(3)π-橋和錨固基團之間。為了研究D-A-π-A型染料分子中的輔助受體的位置對染料敏化太陽能電池性能的影響,我們通過改變母本分子中輔助受體的位置設(shè)計了一系列分子,并對比了一系列影響染料敏化太陽能電池性質(zhì)的參數(shù)。計算結(jié)果表明:當(dāng)輔助受體處于π-橋和錨固基團之間時,敏化劑分子在電荷轉(zhuǎn)移效率,激發(fā)態(tài)壽命,光譜吸收,垂直偶極矩等方面均優(yōu)于輔助受體在其他位置時的敏化劑分子。這些參數(shù)優(yōu)異的表現(xiàn)有利于得到高的開路電壓和較高的短路電流。當(dāng)輔助受體處于π-橋的中間時,敏化劑分子表現(xiàn)出比母本分子還小的垂直偶極矩和較小的由光誘導(dǎo)產(chǎn)生的從染料分子轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體的電子數(shù)目。這可能會不利于染料敏化太陽能電池性能的提升。我們希望本文的研究結(jié)果可以為進一步的分子設(shè)計提供可信的理論指導(dǎo)。第二部分關(guān)于YD2-o-C8-based的衍生物的理論設(shè)計以及對影響其光電轉(zhuǎn)換效率因素的探究染料敏化太陽能電池(DSSCs)以其環(huán)境友好,易于制造和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點成為了能源領(lǐng)域的熱點之一,然而到目前為止非金屬的有機染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率(η)仍然很低。而金屬釕的稀缺與貴重導(dǎo)致其不能廣泛應(yīng)用,因此我們將目光轉(zhuǎn)向了卟啉類染料敏化劑。本文中,通過在經(jīng)典敏化劑分子YD2-o-C8的受體部分引入一系列具有不同強度的雜環(huán)化合物來構(gòu)建不同強度的受體。計算結(jié)果表明隨著被引入雜環(huán)的吸電子強度增強,最高占據(jù)軌道和最低未被占據(jù)軌道之間的能隙降低,吸收光譜紅移,電子轉(zhuǎn)移能力增強,錨固基團與二氧化鈦半導(dǎo)體之間的電子耦合能力增強。這篇文章有助于我們更加深入的了解強電子受體是如何影響染料敏化太陽能電池的性能。第三部分理論研究剛性結(jié)構(gòu)及擴大共軛程度對三苯胺類染料敏化劑性能的影響近些年,染料敏化太陽能電池(DSSCs)引起了廣泛的關(guān)注,大量的研究通過改變D-π-A結(jié)構(gòu)中供體部分或是π-橋部分的共軛程度,也有用剛性結(jié)構(gòu)來擴大供體部分或是π-橋部分的共平面性,并以此來提升染料敏化太陽能電池的性能。本文中,我們首次在供體和π橋之間的設(shè)計一個剛性結(jié)構(gòu),并在這個剛性結(jié)構(gòu)上面進一步擴大其共軛,嘗試驗證一下這樣的設(shè)計思路是不是也有利于DSSCs性能的提升。通過對比討論各個分子的電子結(jié)構(gòu)、光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)和吸收光譜得出最佳的設(shè)計方法。文章采用密度泛函理論方法分別計算了三苯胺敏化劑分子的電子光譜信息和電子結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明,剛性結(jié)構(gòu)使得新設(shè)計的分子有34 nm的紅移。隨著共軛的進一步的擴大,紅移越來越明顯,最大紅移的近120 nm。此外新設(shè)計的染料分子的振子強度有一定的提高。因此,將敏化劑的供體部分和π-橋部分設(shè)計成剛性結(jié)構(gòu)并擴大其共軛是提高敏化劑性能的一個可行的策略與手段。
【關(guān)鍵詞】：敏化劑 輔助受體 密度泛函理論 能量轉(zhuǎn)化效率 卟啉
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O641.1;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 第一節(jié) 選題背景10-18
• 1.1 染料敏化太陽能電池的研究背景10
• 1.2 染料敏化太陽能電池的構(gòu)造及工作原理10-11
• 1.3 染料敏化劑的研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3.1 良好染料敏化劑的重要特征11-12
• 1.3.2 金屬配合物染料敏化劑12
• 1.3.3 卟啉類染料敏化劑12
• 1.3.4 純有機染料敏化劑12-13
• 1.3.5 DSSCs存在的問題及展望13-15
• 參考文獻(xiàn)15-18
• 第二節(jié) 理論部分18-24
• 2.1 密度泛函理論（Density Functional Theory , DFT）18-19
• 2.2 含時密度泛函理論19
• 2.3 關(guān)于染料敏化太陽能電池的相關(guān)參數(shù)的理論知識19-23
• 參考文獻(xiàn)23-24
• 第三節(jié) 輔助受體的位置對D-A-π-A染料敏化太陽能電池性能的影響24-40
• 3.1 引言24-25
• 3.2 計算方法25-26
• 3.3 結(jié)果與討論26-33
• 3.3.1 電子結(jié)構(gòu)和光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移特征26-29
• 3.3.2 激發(fā)態(tài)壽命29
• 3.3.3 影響短路電流的因素29-32
• 3.3.4 影響開路電壓（Voc）的因素32-33
• 3.4 結(jié)論33-35
• 參考文獻(xiàn)35-40
• 第四節(jié) YD2-o-C8-based的衍生物的理論設(shè)計以及對影響其光電轉(zhuǎn)換效率因素的探究40-56
• 4.1 引言40-41
• 4.2 計算方法41-42
• 4.3 結(jié)果與討論42-52
• 4.3.1 基態(tài)結(jié)構(gòu)43
• 4.3.2 電子結(jié)構(gòu)和光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)43-48
• 4.3.3 光譜性質(zhì)48-51
• 4.3.4 激發(fā)態(tài)壽命51
• 4.3.5 染料吸附在(TiO_2)_(38)51-52
• 4.4 結(jié)論52-53
• 參考文獻(xiàn)53-56
• 第五節(jié) 理論研究剛性結(jié)構(gòu)及擴大共軛程度對三苯胺類染料敏化劑性能的影響56-66
• 5.1 引言56-57
• 5.2 計算細(xì)節(jié)57-58
• 5.3 結(jié)果和討論58-62
• 5.3.1 電子結(jié)構(gòu)及光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)58-61
• 5.3.2 電子吸收光譜61-62
• 5.4 結(jié)論62-63
• 參考文獻(xiàn)63-66
• 已完成的論文66-68
• 致謝68

【相似文獻(xiàn)】

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 余沛;幾種新型染料敏化劑的理論設(shè)計及其對DSSCs性能影響的探究[D];西南大學(xué);2016年

2 郭銀菊;β,β'-雙取代聯(lián)噻吩染料的合成及取代基對DSSCs性能影響研究[D];陜西師范大學(xué);2014年

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本文編號：830325