Lindqvist型和Keggin型多酸基光敏染料的电子性质和光伏性能的理论研究

发布时间：2017-12-07 20:24

  本文关键词：Lindqvist型和Keggin型多酸基光敏染料的电子性质和光伏性能的理论研究

  更多相关文章： 多酸基衍生物 染料敏化太阳能电池 密度泛函理论 电子性质 吸收光谱

【摘要】：多金属氧酸盐(POMs)简称多酸,是一类由过渡金属通过氧连接而成的金属氧簇,因其具有结构种类的多样性和物理化学性质的独特性,多酸化合物在材料科学、催化、电磁学以及生物医药等领域都有很好的应用。另外,多酸是良好的电子受体,而且具有较高的稳定性,在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中有潜在应用。寻找合适的染料敏化剂,进而提高DSSCs的光电转化效率是DSSCs研究的核心问题。采用量子化学计算方法探讨多酸化合物的结构和性质之间的关系,对进一步掌握这类化合物的性质,指导实验合成以及拓展其应用都具有重要意义。近年来,密度泛函理论(OFT)和计算机技术不断发展和更新,这为设计性能优异的多酸基光敏染料提供了重要的前提条件。本论文采用DFT和含时DFT(TDDFT)方法,以实验合成的Keggin型钨酸盐和Lindqvist型钼酸盐为基础,设计了一系列多酸基光敏染料,对其电子性质、几何结构、光谱性质和光伏性能进行理论研究。通过分析多酸基衍生物的光谱性质与其电子性质和几何结构之间的关系,阐明多酸基衍生物作为DSSCs光敏剂的微观本质。主要的研究工作包含以下三个方面：(1)采用DFT和TDDFT方法系统地研究了过渡金属取代的Keggin型磷钨酸盐染料的电子性质、吸收光谱以及相关性能参数。结果表明,与实验合成的体系[PW11O39RhCH2COOH]5- (1)相比,体系[PW11O39MCH2COOH]5-/4- (M= RuⅡ (2), IrⅢ (3), OsⅡ(4), CoⅢ(5))的吸收光谱均有所红移,其中M为OsⅡ的体系4的吸收光谱在可见光区域有宽而强的吸收。此外,体系4具有较高的电子注入效率和光捕获效率,有望成为性能良好的染料敏化剂。(2)采用DFT和TDDFT方法对一系列具有供电子基团和吸电子基团的六钼酸盐衍生物染料的光捕获效率,染料再生效率,电荷重组效率,空穴注入效率以及重组能进行研究。结果表明,连有供电子基团的染料(体系1-3)的最大吸收峰相比于连有吸电子基团的染料(体系4和5)发生了红移。综合考虑各项参数,预测体系1(-NH2)具有最好的性能。因此,在多酸基有机-无机杂化材料中引入氨基(-NH2)有可能提高染料敏化太阳能电池的效率。(3)理论设计了一系列双D-π-A结构的六钼酸盐有机胺衍生物(体系1-6),采用DFT和TDDFT方法对体系的能级、吸收光谱、电子跃迁性质以及相关的性能参数进行了系统地研究。结果表明,体系1-6的最高占据分子轨道(HOMO)能级低于NiO的价带(VB),有利于空穴注入半导体；体系1-6的最低未占据分子轨道(LUMO)能级高于I-/I3-的氧化还原电位,有利于染料再生。体系5引入噻吩作为π桥,在300-750 nm的范围内有三个较强的吸收峰,噻吩的引入很大程度上提高了体系的光吸收强度。体系5的空穴注入能、染料再生能和电荷重组能相对较小,有利于空穴注入和染料再生,因此,噻吩的引入改善了体系的光伏性能。综上所述,可以预测体系5具有较好的性能,在双D-π-A结构的六钼酸盐有机胺衍生物中引入噻吩可以提高DSSCs的效率。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O641.4

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 顾冬梅;张建钊;张吉;李海斌;耿允;苏忠民;;π桥中不同吸电子基团对三苯胺-氰基丙烯酸类染料敏化太阳能电池性能影响的理论研究[J];高等学校化学学报;2015年07期

2 桑园美;颜力楷;温世正;丛莎;苏忠民;;Lindqvist型[M_(6-n)Mo_nO_(19)]~(p-)阴离子(M=W,Nb,Ta)电子性质的密度泛函理论研究[J];高等学校化学学报;2012年06期

3 马腾颖;关威;温世正;郎中玲;颜力楷;苏忠民;;Lindqvist型钼酸盐修饰的碳纳米管二阶非线性光学性质的理论研究[J];高等学校化学学报;2012年05期

4 于哲勋;李冬梅;秦达;孙惠成;张一多;罗艳红;孟庆波;;染料敏化太阳能电池的研究与发展现状[J];中国材料进展;2009年Z1期

5 张莉,任焱杰,张正诚,方世碧,田禾,蔡生民;菁类染料敏化的固态纳米TiO_2光电化学电池[J];高等学校化学学报;2001年07期

6 张莉,王艳芹,杨迈之,高恩勤,蔡生民;Ru(bpy)_2(NCS)_2染料敏化CdS/Zn~(2+)TiO_2复合半导体纳米多孔膜的光电化学[J];高等学校化学学报;2000年07期

，

本文编号：1263683