染料敏化太阳能电池中敏化剂构效关系的理论探索与分子设计

【摘要】：在染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell, DSSC）的研究中，敏化剂的分子结构设计对于电池的性能至关重要.论文针对课题组前期合成的多个系列卟啉分子的差异明显的光电转换效率，采取理论化学的方法包括密度泛函理论（DFT）、含时密度泛函理论（TDDFT）以及波函数分析方法探索了敏化剂分子结构对DSSC效率的影响因素。 使用密度泛函理论计算了四苯基β位环合卟啉3-1~3-4分子的几何结构,对照其光电转化效率,表明卟啉类敏化剂应该具备合理的几何结构，应该保证敏化剂竖直单层吸附在光阳极表面。 使用密度泛函理论与含时密度泛函理论计算了四苯基β位环合卟啉3-1~3-4分子和四苯基β位π桥卟啉4-1分子以及稠环类卟啉4-2分子的基态与激发态电子结构，表明激发态与基态之间的能级差对于敏化剂的紫外可见吸收光谱有很大的影响，能级差越小，敏化剂能够利用的太阳能辐射的范围越广；卟啉分子的最高占据轨道（HOMO）分布应在供电基团上，最低未占据轨道（LUMO）应分布在π桥与锚定基团上，这种正确合理的前线轨道分布是敏化剂能够有理想光电性能的前提条件，只有激发态敏化剂可以与二氧化钛可以建立适当的电子耦合，才可以使光生载流子顺利注入二氧化钛导带从而产生光电流。 使用密度泛函理论与含时密度泛函理论计算了trans-AB卟啉5-1~5-4分子的基态偶极距和最强激发态的振子强度，对照该系列分子不同的光电转化效率，表明卟啉敏化剂与光阳极表面垂直方向的偶极距与DSSC的开路电压有正相关关系；激发跃迁态的振子强度决定的光捕获效率LHE与短路电流有着正相关关系。 在实验分子理论研究的基础上设计了一系列β位异恶唑类卟啉分子6-2~6-5，用于弥补原实验分子的在前线轨道分布方面的缺陷，进行了基态、激发态计算以及多种波函数分析，确定了对原有缺陷的弥补效果，预测了光电效率。 通过对现有苯乙炔基卟啉和芳胺类卟啉等已知实验分子的理论探索，建立了广泛紧缩福井函数，用来解释卟啉分子基团供电能力与光电性能的关系，结果表明，DSSC光电转化效率与卟啉类敏化剂供电能力成正比。 【关键词】：理论化学 染料敏化太阳能电池 敏化剂 构效关系
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 文献综述7-17
• 1.1 引言7
• 1.2 卟啉类DSSC概述7-11
• 1.2.1 DSSC效率评价标准7-8
• 1.2.2 卟啉类DSSC工作原理8-11
• 1.3 理论计算与DSSC11-15
• 1.3.1 密度泛函理论DFT11-12
• 1.3.2 理论计算在DSSC中的应用12-15
• 1.3.3 理论计算在DSSC应用中存在的问题15
• 1.4 课题的意义及研究内容15-17
• 第二章 敏化剂中影响 DSSC 效率因素的理论计算17-29
• 2.1 引言17
• 2.2 计算方法17-19
• 2.3 几何结构对DSSC效率的影响19-21
• 2.4 电子结构对DSSC效率的影响21-25
• 2.5 偶极距与光捕获效率LHE对DSSC效率的影响25-28
• 2.6 小结28-29
• 第三章 基于实验的新型敏化剂的理论设计与探索29-48
• 3.1 引言29-30
• 3.2 计算方法30-31
• 3.3 对6-1分子的讨论31-35
• 3.4 新设计分子在电子结构方面的弥补35-44
• 3.5 新设计分子的性能预测44-47
• 3.6 小结47-48
• 第四章 定量化研究卟啉类敏化剂供电基团强弱与DSSC效率高低的规律48-58
• 4.1 引言48-49
• 4.2 计算方法49-51
• 4.3 第一类炔苯基卟啉敏化剂分子（7-1至7-4）51-53
• 4.4 第二类芳胺类分子（7-5~7-7分子）53-55
• 4.5 敏化剂供电集团强弱的定量化研究55-57
• 4.6 小结57-58
• 第五章 结论与展望58-60
• 5.1 结论58
• 5.2 展望58-60
• 参考文献60-61
• 发表论文和参加科研情况说明61-63
• 致谢63

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