染料敏化太阳能电池中染料分子设计及其光电性质的理论研究

【摘要】：染料分子是影响染料敏化太阳能电池(DSSC)光捕获效率及电子注入效率的关键组分。为了筛选出更加高效的染料分子,借助密度泛函及含时密度泛函理论,本论文模拟了系列潜在染料分子及染料/纳晶组装体的电子结构及光学性质,计算结果可为实验合成更加高效的染料分子提供理论依据。以Zn(II)配位的酞菁染料(TT7)为基础,本文设计出一系列具有不同中心金属离子以及边缘/轴向基团的酞菁染料分子。结果表明,中心金属离子为Al(III)的酞菁染料分子具有合适的能级排布以及良好的光吸收性能。其中,以碘离子为轴向配体,二甲氨基为边缘取代基的Al(III)酞菁染料吸收光谱红移最大。对染料分子二聚体的研究表明,Al-I-Pc染料分子间π-π堆叠作用弱于TT7二聚体,可有效降低酞菁染料在半导体表面的聚集。因此,Al-I-Pc是潜在的高效酞菁染料敏化剂。通过用不同的锚定基团取代CN11和CN12有机染料分子的羧基,本文设计出一系列新的有机染料分子。染料分子光电性能理论研究表明,以二硫代羧基(-CSSH)为锚定基团的染料分子(CN11-CSSH和CN12-CSSH)在同系列染料分子中光谱红移最大、响应范围最宽且第一激发态寿命最长。因此,二硫代羧基是设计高效染料分子的潜在锚定基团。通过采用不同的富电子以及缺电子单元取代非对称性方酸染料WCH-SQ11的3,4-亚乙基二氧噻吩(EDOT)单元,本文设计出四个新的方酸染料分子。理论研究表明,含二噻吩并吡咯(DTP)单元的WCH-SQ11-1方酸染料具有良好的光吸收、电子注入和电荷转移(CT)性能以及大的垂直偶极矩(μnormal)。与孤立WCH-SQ11-1分子相比,WCH-SQ11-1/(TiO2)38复合物的最大吸收发生红移,且在最大吸收处,WCH-SQ11-1分子以直接的方式将电子注入到TiO2半导体的导带。因此,WCH-SQ11-1是可替换WCH-SQ11的潜在染料分子之一。以含氮芘单元的JD21分子为基础,本文设计出三个以硅为核心的JD21衍生物分子。对相关体系系统的理论研究表明,含二噻吩并噻咯(DTS)单元的Y2染料分子表现出良好的光捕获能力、热力学和动力学性能,且Y2/(TiO2)38复合物具有较高的稳定性。因此,Y2分子是潜在的高效有机染料分子。计算结果同时也突显了硅原子在调控JD系列染料分子各项性能中的重要作用。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 染料分子 电子结构 光学性质 动力学性质
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ610.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-31
• 1.1 本论文的学术背景及其理论与实际意义12-20
• 1.1.1 染料敏化太阳能电池的结构12-16
• 1.1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理16-20
• 1.2 本论文的研究内容20-21
• 参考文献21-31
• 第2章 理论基础与计算方法31-45
• 2.1 分子轨道理论31-34
• 2.2 前线轨道理论34
• 2.3 密度泛函理论34-37
• 2.4 含时密度泛函理论37
• 2.5 溶剂化效应37-38
• 2.6 基函数38
• 2.7 光学原理38-42
• 2.7.1 电子的激发和吸收光谱38-39
• 2.7.2 激发态去活化39-40
• 2.7.3 夫兰克-康登（Frank-Condon）原理40
• 2.7.4 分子内的电荷转移40-42
• 参考文献42-45
• 第3章 酞菁染料分子光电性能的理论研究45-65
• 3.1 引言45-46
• 3.2 计算方法46-47
• 3.3 结果与讨论47-59
• 3.3.1 TT7分子的光电性质47-52
• 3.3.2 TT7分子的修饰52-57
• 3.3.3 酞菁染料分子的电荷转移性能57-58
• 3.3.4 酞菁染料分子的第一激发态寿命58
• 3.3.5 酞菁染料分子在TiO2表面的吸附58-59
• 3.4 本章小结59-60
• 参考文献60-65
• 第4章 CN11和CN12系列染料分子光电性能的理论研究65-79
• 4.1 引言65-66
• 4.2 计算方法66
• 4.3 结果与讨论66-75
• 4.3.1 CN11和CN12染料分子的结构优化67-69
• 4.3.2 CN11和CN12染料分子的光电性质69-71
• 4.3.3 CN11和CN12衍生物分子的光电性质71-73
• 4.3.4 染料分子的第一激发态寿命73-74
• 4.3.5 去质子化CN11和CN12系列染料分子的光电性质74-75
• 4.4 本章小结75-77
• 参考文献77-79
• 第5章 不对称方酸染料分子光电性能的理论研究79-100
• 5.1 引言79-80
• 5.2 计算方法80-82
• 5.3 结果与讨论82-92
• 5.3.1 基态及激发态方酸染料分子的电子结构82-87
• 5.3.2 方酸染料分子的光学性质87-89
• 5.3.3 方酸染料分子的电荷转移性能89
• 5.3.4 方酸染料分子在TiO2表面的吸附89-92
• 5.4 本章小结92-93
• 参考文献93-100
• 第6章 JD系列染料分子光电性能的理论研究100-121
• 6.1 引言100-101
• 6.2 计算方法101-102
• 6.3 结果与讨论102-115
• 6.3.1 JD系列染料分子的电子结构及光学性质102-105
• 6.3.2 JD系列染料分子在TiO_2表面的吸附105-115
• 6.4 本章小结115-116
• 参考文献116-121
• 结论121-123
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单123-124
• 致谢124-125
• 作者简介125

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