给、受体复合物激发态的计算方法及染料敏化剂C276、C277、C278的理论研究

发布时间：2020-07-11 13:27

【摘要】：近年来光伏设备是最有希望利用清洁、可再生能源的长期解决方案之一。虽然基于无机半导体的太阳能电池能够比较高效地利用太阳能,但是这些传统器件由于生产成本高而限制了其大规模的商业化应用。有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池具有生产成本低廉、环境友好等优点,有机异质结太阳能电池具有激子扩散长度短、给-受体接触面积大等特点。给-受体构成的活性层是决定异质结太阳能电池整体性能的最主要因素。染料敏化剂是染料敏化太阳能电池中的重要组成部分,它的光捕获能力和电子转移过程直接影响电池的稳定性和性能。因此本文第一部分从理论角度研究给-受体异质结界面电子激发态的性质,给出可靠描述电子激发态的方法。第二部分内容是深入探究有机染料的分子结构与光电性能间的关系。理论研究有机异质结太阳能电池中的电荷转移性质有着重要的研究意义。我们找出可靠描述给-受体界面电子激发态特性的方法,并且希望能在研究人员设计给受体材料时提供理论依据和指导。为得出给、受体复合物不同激发类型(包括电荷转移激发、局域激发和三重态激发)的可靠描述,以苯-四氰基乙烯复合物作为给、受体复合物的模型体系,用从头算和密度泛函理论方法计算了该模型体系的激发态。我们以量子化学方法EOM-CCSD的计算结果为基准,以激发能的绝对误差平均值和标准差为依据,系统评测了不同方法计算给受体复合物模型体系激发态的精度。结果表明,M11泛函能比其它泛函给出更高的精度,同时,在含时密度泛函(TDDFT)计算中采用Tamm-Dancoff近似(TDA)能进一步提高激发能的计算精度。M11泛函的计算结果和其本身的特点表明,在发展新型泛函中引入动能密度、自旋密度梯度和区间分离等对激发态的准确计算是非常重要的。根据TDDFT的计算结果,比较了TDDFT计算中不同泛函对苯-四氰基乙烯复合物电荷转移的描述。在染料敏化太阳能电池中,敏化剂起着吸收光子,产生并传输电子的关键作用。而光激发后,电子由敏化剂注入半导体导带的电荷转移过程直接决定着染料敏化太阳能电池能量转化效率。本文研究的C276、C277、C278三种高效有机染料,均以苯并噻二唑苯甲酸为电子受体,但具有不同电子给体。分析计算结果表明,敏化剂C277、C278中引入环烷烃,可以提高染料的光吸收性能、缩小最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)和最低未占据分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital,LUMO)间的能级差,同时提高分子内电荷转移。C276、C277、C278中发生有效的分子内电荷转移激发,使电子从给体转移到受体。与染料单体相比,三种染料吸附TiO_2复合物的光谱发生了明显的红移。C276、C277、C278染料中的电子注入过程是电子从激发态染料注入到TiO_2纳米团簇。引入二萘嵌苯和环烷烃的C277、C278与C276相比,HOMO-LUMO能隙更小,LUMO能级靠近TiO_2导带,同时最大吸收峰对应的振子强度更大,意味着短路电流密度更大,这与实验结果是相符的。验证了引入环烷烃用于改善有机染料敏化剂的共轭性质,从而提升有机染料敏化太阳能电池的光电转换性能。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TQ610.1
【图文】：

、受体复合物激发态的计算方法及染料敏化剂 C276、C277、C278 的理论道了体异质结结构的有机太阳能电池，其转换效率为 2.7%[展，有机太阳能电池的 PCE 逐步提高[21; 22]，浙江大学的李烯串联太阳能电池的 PCE 已经达到 8.48%；北京航空航天大出一种新型宽能隙的有机体异质结太阳能电池，其 PCE 达到密歇根大学的 Stephen R. Forrest 课题组制备的有机叠层太到 15%[23]。太阳能电池的工作原理如图 1.1 所示，主要分为以下几个过的活性层吸收光子，产生电子-空穴对，即激子；激子扩散到界面处解离；解离的电子和空穴形成自由载流子，载流子移体向阴极方向移动，空穴沿着给体向阳极方向移动，电子和极收集产生光生电流和电压。

钌染料和锌染料都有着各自的缺陷，对于性；而锌染料合成困难，合成过程中使用剧料丰富、高摩尔消光系数、颜色鲜艳和简易。因此，使用有机材料改善电池效率，提高电吸引力的研究方向。染料太阳能中的光阳极阳能电池结构如图 1.2 所示：主要有导电玻光敏染料，电解质，对电极五部分组成[50]。并通过外电路形成一个循环主要经过五个过，电子从 HOMO 跃迁到 LUMO；处于激发导带中；导带中的电子在纳米晶网格中传输子与电解质中的离子结合，相当于电子进入染料使染料再生。中间还会发生电荷复合的子在表面与进入 TiO2薄膜空穴中的离子复合的染料复合。

验色散项只依赖于核的自由度，不会影LRHFXE ,SRM11XE 和M11CE 分别表示 HF 交换关联。在密度泛函理论发展中，所有换空穴密度必须积分到零/一，密度别是精确的 HF 交换。函、aug-cc-pVTZ 基组[139]分别优化苯和准。优化后的苯和四氰基乙烯分子是和四氰基乙烯分子单体分别固定来构体分子内几何参数在形成的复合物中变通过在 Z 方向上固定间距，来构建平行体复合物分子间距是 3.3-4.0 [31; 125; 126; 143.5 ,与 TTF-TCNQ[143]和 terthiophene-T

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本文编号：2750463