有机染料敏化分子设计和理论研究

发布时间：2017-09-10 03:21

  本文关键词：有机染料敏化分子设计和理论研究

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【摘要】：有机染料敏化剂在染料敏化太阳能电池方面存在着巨大的应用潜力,本文采用量子化学方法的密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)设计并研究了D-π-A型及D-A-π-A型有机染料敏化分子,从染料分子的几何和电子结构、吸收光谱、染料吸附后导带能级移动及量子动力学等方面评价敏化剂对电池的光捕获效率及电子注入的影响,探讨敏化剂分子结构和分子性能之间的关系,筛选出具有很大应用潜力的光敏化剂。本论文在以下三个方面的研究工作中获得了一些有意义的研究成果:1.并苯类染料敏化剂的理论研究我们利用密度泛函理论方法研究了并四苯和并五苯作为桥链,供体在π桥上的不同的位置对染料敏化分子光电学性能的影响。研究结果表明随着并苯环的增多,共轭程度增大,吸收波长发生红移;同时,染料供体在π桥上不同位置时,并苯单元的最高占有轨道(HOMO)上的电子云分布(MOC)不同,电子云分布在并苯π桥链上所占比例越大将会导致染料分子吸收波长向长波区域拓展,所以当供体在并苯π桥链的中心位置时,较同系列的其他构型,吸收波长明显红移。最后我们又采用并六苯作为π桥链对所得结论进行了验证。2.D-A-π-A型染料敏化剂的理论研究为了拓展染料分子的光响应范围,我们设计了一系列苯并噻二唑衍生物作为辅助受体的染料敏化分子,研究了不同辅助受体对染料分子轨道能级以及吸收光谱的影响。通过计算敏化剂的吸收光谱,染料吸附半导体(TiO2)38前后的态密度以及电子注入吉布斯自由能、激发态寿命等光电学参数,并与最近实验上已合成的光电转化效率较高的D-A-π-A型纯有机染料WS-9进行比较,筛选出光电性能优异的染料敏化剂。研究结果表明:分子的HOMO-LUMO能隙会随着辅助受体上杂原子电负性减小和原子半径增大而变窄,使得吸收波长在750-1950nm范围内波动,相比于WS-9(536nm)发生明显红移,并通过对偶极矩,激发态寿命,染料吸附后导带能级移动以及电子注入能与重组能的评估,获得了比WS-9较好的光电参数,因此推测,这些设计的染料分子将成为染料敏化太阳能电池领域中具有很大潜力的光敏剂。3.苯并噻二唑衍生物首次作为染料铆接基团的理论研究我们首次提出将苯并噻二唑衍生物作为染料敏化剂的铆接基团,并与目前广泛使用的氰基丙烯酸基团进行对比研究。研究表明:用苯并噻二唑衍生物作为铆接基团可将染料敏化剂的吸收波长拓展至近红外区,极大拓宽了吸收光谱。更重要的是,我们通过量子动力学对染料电子注入现象进行模拟研究,发现染料SPN和SPS在前15fs之内可将90%的光生电子注入至半导体TiO2上,在100fs之内光生电子完全注入,达到极高的电子注入效率。这一现象表明苯并噻二唑衍生物将很可能成为非常有潜力的甚至优于氰基丙烯酸的染料铆接基团。
【关键词】：染料敏化太阳能电池 有机染料敏化剂 密度泛函 光电性质
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第1章 前言12-19
• 1.1 研究背景12
• 1.2 太阳能电池12-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池13-14
• 1.4 染料敏化剂14-16
• 1.4.1 金属配合物染料敏化剂15
• 1.4.2 纯有机敏化剂15-16
• 1.5 第一性原理计算16-17
• 1.6 本文研究内容及意义17-19
• 第2章 并苯类染料敏化剂理论研究19-38
• 2.1 研究背景与染料设计19-20
• 2.2 理论计算20-22
• 2.3 结果与讨论22-37
• 2.3.1 分子构型22-23
• 2.3.2 电子结构23-26
• 2.3.3 染料分子光学性质26-30
• 2.3.4 染料分子与半导体二氧化钛体系30-32
• 2.3.5 规律验证（基于并六苯的染料分子性质计算）32-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 D-A-π-A型染料敏化剂的理论研究38-53
• 3.1 研究背景与染料设计38-39
• 3.2 理论计算39-41
• 3.3 结果与讨论41-52
• 3.3.1 分子构型41-42
• 3.3.2 电子结构42-44
• 3.3.3 染料分子光学性质分析44-46
• 3.3.4 染料分子与半导体二氧化钛结合46-49
• 3.3.5 染料敏化太阳能电池电池参数分析49-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 苯并噻二唑衍生物作为染料铆接基团的理论研究53-65
• 4.1 研究背景与染料设计53-54
• 4.2 理论计算54-55
• 4.3 结果与讨论55-62
• 4.3.1 染料分子性质分析55-58
• 4.3.2 染料分子与二氧化钛结合体系58-59
• 4.3.3 电子注入性能评估59-62
• 4.4 多环基团位置对比62-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第5章 总结与展望65-68
• 5.1 总结65-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-82
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文82-83
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目83-84
• 致谢84

【参考文献】

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1 何俊杰;陈舒欣;王婷婷;曾和平;;有机染料敏化剂分子设计新进展[J];有机化学;2012年03期

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本文编号：824432