染料敏化太阳能电池中高性能D-π-A型芳胺类有机染料的理论设计和表征

【摘要】：随着能源危机与环境污染的日益严重,人们对清洁能源的渴望越来越强烈。自从1991年,Gr?tzel等人做出的染料敏化太阳能电池(DSSC)突破性工作,使DSSC受到科学家们广泛的关注。与传统的硅基半导体电池相比,DSSC具有成本低廉,制作工艺简单,质地轻柔等优点,目前最高的效率已达13.0%。但是13.0%的效率并不能和传统的硅基半导体电池相提并论,同时,其距离大规模商业化生产也还有很长的路要走。因此,继续优化DSSC器件的性能,提高DSSC的效率成为当下DSSC领域中最重要的课题。染料,作为DSSC的核心关键组成,决定着DSSC器件性能的高低。因此,从本质上理解染料分子结构是如何影响DSSC器件性能的就显得尤为重要。我们通过量子化学计算,对影响DSSC效率的两个重要物理参数,短路电流(Jsc)和开路电压(Voc)进行多方面探讨,比如几何、电子结构,吸收性质,导带能级移动等等,对实验报道的染料敏化剂进行合理地解释,并构建染料敏化剂结构-性能之间关系,以期望设计出高性能的染料敏化剂替代者,为DSSC领域中染料敏化剂的设计提供一定的理论支持。本文主要包括两部分研究工作:第一部分:为了合理解释具有相似分子结构的1和2效率相差很大的原因(染料1:1.24%;染料2:8.21%)(Advanced Functional Materials 2012,22,1291-1302),我们利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对Jsc和Voc等因素进行探讨。我们的结果表明了:分子2由于插入了一个苯环,增加了染料阳离子空穴到半导体表面的距离;并且使苯并噻二唑(BTDA)单元(和电解液有较强的相互作用)远离了半导体,使得相比于分子1,染料分子2的电子复合速率减小。但这种修饰使得分子结构产生了一定的改变,进而削弱了分子的光捕获能力。因此,为了既保持分子2的优点,又克服其缺点,我们在此基础上,又设计了两个具有更好的共轭程度、更远的BTDA位置、以及更长的分子尺寸的染料(6和7)。结果表明我们可以通过合理的分子设计来得到理想的性质,获得高性能染料,进一步提高DSSC的效率。第二部分:本文结合DFT以及TD-DFT围绕六个染料的几何、电子结构,吸收光谱,电子注入寿命,染料吸附后导带能级的移动,以及电子复合速率等性质进行讨论。结果表明:除了TPA-P-BTBA分子,其余分子均展现出可以和TPA-T-CA相媲美甚至超越其的光捕获能力;所有染料的电子注入寿命均在飞秒(fs)尺度上,均展现出超快的电子注入速率;染料吸附之后所引起的导带能级移动均为0.25 eV左右,均有利于Voc的提高。重要的是,对于电子复合速率,TPA-T-CA约为TPA-T-EBTBA和TPA-P-EBTBA的44倍,为TPA-T-BTBA的11倍,因此推测,TPA-P-EBTBA,TPA-T-EBTBA,以及TPA-T-BTBA将具有更高的短路电流,开路电压和效率,将成为DSSC领域中具有潜力的优秀光敏剂替代者。我们的设计将会给实验带来有力的理论指导和支持。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 密度泛函理论 电子结构 电子复合速率 电子注入寿命
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 引言10
• 1.2 太阳能和太阳能电池10-14
• 1.2.1 太阳能10-11
• 1.2.2 太阳光谱11-12
• 1.2.3 太阳能电池12-14
• 1.3 有机染料敏化太阳能电池14-21
• 1.3.1 有机染料敏化太阳能电池的工作原理14-15
• 1.3.2 有机染料敏化太阳能电池的评价指标15-16
• 1.3.3 有机染料敏化太阳能电池的研究进展16-21
• 1.4 量子化学方法21-26
• 1.4.1 薛定谔方程21-23
• 1.4.2 Hartree-Fock方程23-24
• 1.4.3 密度泛函理论24-26
• 1.5 本论文的选题思路与研究内容26-28
• 1.5.1 选题意义26-27
• 1.5.2 研究内容27-28
• 第2章 苯并噻二唑类有机染料敏化太阳能电池中电子复合程度和光捕获效率调节的理论研究28-43
• 2.1 前言28-29
• 2.2 计算方法29-30
• 2.3 结果与讨论30-41
• 2.3.1 开路电压Voc差别的理论解释30-36
• 2.3.2 短路电流Jsc差别的理论解释36-40
• 2.3.3 染料敏化剂的优化设计40-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 高性能D-π-A型三芳胺类有机光敏染料的理论设计和表征43-52
• 3.1 前言43-44
• 3.2 计算方法44
• 3.3 结果与讨论44-51
• 3.3.1 几何结构和电子结构45-46
• 3.3.2 吸收光谱的影响46-48
• 3.3.3 电子注入寿命48-49
• 3.3.4 导带移动49
• 3.3.5 电子复合49-50
• 3.3.6 理论预测50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 参考文献52-61
• 致谢61-62
• 在学期间公开发表论文及著作情况62

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