双供体型有机染料的第一性原理及其动力学研究

发布时间：2020-06-25 22:08

【摘要】：染料敏化太阳能电池的效率是决定其能否广泛应用的关键因素,而有机染料又是染料敏化太阳能电池的重要组成部分之一。因此,设计新型高效的染料分子是提升染料敏化太阳能电池效率的主要方法。双供体型有机染料因其具有高振子强度和宽光谱吸收范围的特性,而得到了广泛研究。本文以双供体型结构有机染料为研究对象,设计了一系列性能优异的新型有机染料。通过采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)进一步研究了其光学性质和电子性质,包括几何结构,分子前线轨道,吸收光谱,光捕获效率(LHE),筛选出性能优良的染料分子将其吸附在TiO_2基底上,进行动力学研究。本文的主要工作如下:(1)基于实验合成效率为6.79%的WD8有机染料基础上,通过改变染料的供体和π桥,设计得到新型染料ME301-ME306。通过对其分子结构、分子前线轨道以及紫外可见吸收光谱的研究,相对于WD8,ME306吸收光谱红移50nm,摩尔消光系数提高了1倍,最终筛选出高效双供体型有机染料ME306。(2)为筛选高效双供体型有机染料,通过修饰供电子基团,得到ME07-ME13系列染料。结果表明,所有设计的染料覆盖300-800nm的整个可见光吸收光谱。尤其是ME13分子有两个吸收峰,两个吸收峰的摩尔系数在4.645×10~4 M~(-1)·cm~(-1)以上,与ME07-ME12相比,ME13的光吸收面积增加了16.5-19.1%。吸附能计算表明ME13能够稳定地吸附在(TiO_2)_(38)团簇上。(3)通过引入辅助供体基团,设计了双供体型染料ME101-ME106。将实验染料WD8及ME101-ME106吸附在TiO_2基底上进行动力学模拟,探究染料吸附体系的光捕获效率、态密度、结合能和吸收光谱,计算分析发现,相对于WD8,ME102和ME106这两种染料吸收光谱整体明显红移,摩尔消光系数的明显提高,以及超快的电子注入,因此理论上认为这两种染料可能是潜在高效的染料分子。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TQ610.1
【图文】：

染料敏化,太阳能电池,基本结构

图 1.1 染料敏化太阳能电池的基本结构[7]Fig. 1.1 The structure of the dye-sensitized solar cellsSSCs 的工作原理Cs 的工作原理（如图 1.1）可表述为：在光照条件下，TiO2上的射的太阳光，染料分子发生从基态至激发态的电子跃迁；处于分子和 TiO2相互作用，电子快速注入到 TiO2导带中，此时染料于氧化状态。电子在薄膜内迅速移动，到达膜接触面的电子迅上，并通过导电基底流向外电路的负载；处于氧化状态染料分质还原，形成一个完整的循环过程。可用如下公式表示[8]：S + hv → S* S* → S++ e－(CB) 3I－+ 2S+→I3－+ 2S e－(CB) = e－(Pt)

分子结构图,染料,供体,吩噻嗪

章基于三苯胺的双供体型有机染料的设an 课题组使用两个吩噻嗪为电子供体，三苯胺为辅为受体实验合成了WD8染料，在AM 1.5G全光照下本章选用染料 WD8 为研究基础，基于辅助受体三苯，通过修饰和替换供体 D 及 π 桥，设计性能更为优首先通过替换 WD8 的吩噻嗪供体得到 ME301-ME，获得染料 ME304-ME306。这些新设计的双供体型为了预测染料敏化太阳能电池的性能，使用密度泛函（TDDFT）方法来计算染料分子几何结构，能级和行计算分析，筛选出比 WD8 性能更好的双供体型有

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