光敏量子点与太阳能电池的第一性原理研究

【摘要】： 量子点,又可称为纳米晶,通常是一种由Ⅱ族,Ⅲ-Ⅴ族元素以及过渡金属组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于2-10 Nm之间,稳定、溶于水。目前研究较多的是贵金属量子点Au,Ag等,半导体量子点,如TiO2、CdS、CdSe等。近来,量子点由于其独特的性质越发受到人们的重视,其研究内容涉及到化学、物理、生物、材料等多学科,已经成为一门新兴的交叉学科。量子点独特的性质主要基于它自身的量子效应。当颗粒尺寸进入纳米量级时,尺寸的限制将引起量子限域效应、尺寸效应、宏观量子效应和表面效应。从而派生出纳米体系具有不同的低维物性,因而展现出诸多不同于宏观材料的物理与化学性质,这在非线性光学、光伏材料,磁介质、光催化、医药等方面有着极具潜力的应用价值。 有机光伏电池是一种用有机材料制成的太阳能电池,主要由导电的有机聚合物或者小的有机分子组成。它具有成本低的特点,且有许多优良的特性,如柔性,异成膜等。有机分子的光吸收系数很高,因此少量的材料便可以吸收大量的光能。它主要的缺点是目前开发的产品效率较低,但它却有较高的理论光电转化率,很有研究价值与潜力。 在第一章中,我们简单的介绍了密度泛函理论的框架,从最初的Thomas-Fermi模型到Hohenberg-Kohn定理,再到Khon-Sham方程。相应的含时密度泛函理论,从Runge-Gross定理到含时的Kohn-Sham方程,我们都做了系统的介绍,在此基础上,我们还介绍了时域下通过传播密度矩阵来求解含时的Kohn-Sham方程。最后,我们介绍了最小开关的Surface Hopping方法,以及线宽理论。 第二章中,我们研究了银量子点的电声耦合动力学。银量子点作为一种贵金属,具有特别的局域表面等离子共振现象。其均匀共振线宽主要由去相干／去相位时间与激发态寿命(即驰豫时间)共同决定。我们首先研究了声子诱导的等离子激元去相干作用。结果表明等离子激发中电声耦合导致的去相干是总的去相干作用中重要的组成部分。较小的银纳米晶,其声子诱导的等离子激发去相干时间更短。此外,温度对去相干的影响较大,低温时的声子运动不活跃,因此其诱导的去相干较为不明显。接下来,结合最小开关的surface hopping与含时Kohn-Sham方法,我们研究了银量子点等离子激发态的电声驰豫动力学。通过模拟得到一系列等离子激发态的驰豫时间在500至1800 fs之间。其中,低能激发要快于高能激发的驰豫时间,这和超快光谱得到的实验结果基本一致。 在第三章中,我们研究了染料敏化太阳能电池中染料-纳米晶界面间的电荷转移动力学。首先,运用时域中传播密度矩阵解含时Kohn-Sham方程的方法,我们研究了三种染料-TiO2纳米晶复合体系。电子动力学模拟得到的结果表明,从激发态染料分子向二氧化钛转移的过程很快,只有几个飞秒,这很好的符合实验测量的结果。同时,我们发现,当纳米晶尺寸很小时,电子转移的尺寸效 应更加明显。而当尺寸增大时,其量子尺寸效应迅速的降低。第二部分,我们运用非绝热的分子动力学方法,研究了小尺寸alizarin敏化的TiO2纳米晶界面间的多指数电子转移过程。这种多指数的电子转移主要来源于纳米晶导带的能级分立,因而导致了绝热与非绝热机理共同作用于电子转移过程。此外,该体系具有很慢的电子反向转移过程。这部分理论研究为提高太阳能电池的效率提供了一定的指导意义。 最后,运用量子化学方法,我们还研究了一类有机多聚体异质结,BBL-P3HT与TB1-P3HT的电子结构和光谱。研究结果表明这类异质结的吸收光谱同时覆盖了可见与红外波段,这体现了他们具有良好的采光特性。此外,两者的光活性激发态都有着显著的电荷分离现象,这表明其光激发态更倾向形成分离的电荷,而不是形成激子,这有可能会克服光伏材料中普遍存在的激子瓶颈问题。 【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-14
• 第二章 理论背景知识14-28
• 2.1 静态密度泛函理论14-16
• 2.1.1 Tomas-Fermi模型14
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn理论14
• 2.1.3 Kohn-Sham方程:有效单电子近似14-16
• 2.2 含时密度泛函理论16-17
• 2.3 线性相应理论17-19
• 2.4 时域传播约化单电子密度矩阵19-20
• 2.5 TDKS-FSSH理论20-25
• 2.5.1 TDKS理论与非绝热耦合21
• 2.5.2 半经典去相干/去相位(dephasing)模型21-22
• 2.5.3 Kohn-Sham表象下的FSSH方法22-23
• 2.5.4 退相干(decoherence)效应23-25
• 参考文献25-28
• 第三章 银量子点中等离子激元电声耦合动力学28-48
• 3.1 银量子点中声子诱导的等离子激发去相干动力学28-37
• 3.1.1 研究背景28-30
• 3.1.2 理论模型30
• 3.1.3 研究结果与讨论30-37
• 3.1.4 小结37
• 3.2 银量子点中声子诱导的等离子激发驰豫动力学37-45
• 3.2.1 研究背景37-38
• 3.2.2 理论方法与模型38-39
• 3.2.3 计算结果和讨论39-43
• 3.2.4 小结43-45
• 参考文献45-48
• 第四章 染料-TiO_2界面的电荷转移动力学48-71
• 4.1 染料敏化TiO_2的电子注入动力学48-58
• 4.1.1 研究背景48-49
• 4.1.2 数值方法和结果讨论49-58
• 4.1.3 小结58
• 4.2 小尺寸Alizarin-TiO_2纳米晶界面电荷转移的非绝热动力学研究58-67
• 4.2.1 研究背景58-59
• 4.2.2 计算方法与细节59-60
• 4.2.3 计算结果与讨论60-66
• 4.2.4 小结66-67
• 参考文献67-71
• 第五章 有机半导体异质结的电子结构和光谱71-82
• 5.1 研究背景71-72
• 5.2 理论方法与模型72-73
• 5.3 计算结果与讨论73-78
• 5.4 结论78-80
• 参考文献80-82
• 致谢82-84

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