染料敏化太阳能电池中具有不同芳基胺类给体的有机染料的理论研究

【摘要】：自从1991年Gr tzel等人报道了具有简单结构的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的效率高达7%以来，DSSCs就引起了人们的广泛关注。与传统的硅基半导体太阳能电池相比，DSSCs具有高能量转换效率及低成本等优点。实验上以锌卟啉类染料为光敏剂的DSSCs的效率已达到12.3%。然而，由于金属的价格昂贵，因此限制了DSSCs的大规模商业化应用。近些年，基于非金属有机染料的DSSCs因其低成本、易制备、环保，同时具有较高的光电转换效率等优点而越来越受到人们的重视。光敏染料作为DSSC的重要组成部分，其结构上的微小差异会引起器件性能的显著不同。但实验上设计合成高效的染料分子仍存面临巨大挑战，近年来，量子化学方法已成为了揭示染料分子结构与性能之间关系的可靠的研究手段。 本文主要包括两部分研究工作： 第一部分： 为了合理解释二聚噻吩类染料分子结构与性能之间的关系，采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)讨论了包括紫外-可见吸收光谱、光捕获效率、电子注入驱动力、垂直方向偶极矩和电子转移数目在内的一系列影响染料性能的理论参数．结果表明，在光捕获效率和电子注入效率差别不大的情况下，染料分子较低的染料再生效率可导致其短路电流较小;同时，在由光诱导产生的从染料分子转移到半导体的电子数目以及电子复合程度相差不大的情况下，染料分子垂直方向上较大的偶极矩则可导致其具有较高的开路电压． 第二部分： 为了揭示D-D-π-A型染料的结构和性能之间的关系，本文结合密度泛函理论（DFT）以及含时密度泛函理论（TDDFT）围绕染料分子的几何、电子结构，吸收光谱，电化学性质，电子复合程度，以及半导体导带边缘的移动进行讨论。结果表明：相比于常规经典的D-π-A型染料分子，引入额外的给体，即D-D-π-A型双给体染料，可以改变体系的共轭程度，增加染料的光吸收强度；其中吩噻嗪和二苯胺基等非平面性给体的引入可以使染料吸收光谱红移，并且显著的调节染料的基态、激发态的氧化电位；反之，咔唑刚性给体的引入则使吸收光谱蓝移，只能微调染料的基态、激发态的氧化电位。另外，额外给体的引入可以显著增加染料阳离子空穴-半导体之间的距离，从而抑制注入电子与染料阳离子的复合；在额外给体中引入杂原子可以使I2聚集在染料外侧，从而降低电解质在半导体表面的局域浓度，进而减慢注入电子与电解质之间的复合速率。尽管额外给体的引入可以引起导带移动发生变化，但是这种变化并不显著的，可以忽略。计算结果表明通过在常规经典的D-π-A型染料上引入额外的电子给体构筑D-D-π-A型染料可以有效调节染料的光学、电学以及电子复合等各方面性质，从而为高性能的染料提供更直观、清晰的思路。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 D-π-A型有机染料 D-D-π-A型有机染料 光捕获效率 染料再生效率 电子复合 密度泛函理论
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-26
• 1.1 引言9
• 1.2 太阳能概述9-12
• 1.2.1 太阳与太阳能9-10
• 1.2.2 太阳光谱10-11
• 1.2.3 太阳能利用现状11-12
• 1.3 太阳能电池的分类与发展12
• 1.4 染料敏化太阳能电池12-17
• 1.4.1 引言12-13
• 1.4.2 染料敏化太阳能电池的结构与工作原理13-14
• 1.4.3 染料敏化太阳能电池的表征参数14-17
• 1.5 染料敏化太阳能电池中的光敏染料17-23
• 1.5.1 引言17
• 1.5.2 光敏染料的分类17-22
• 1.5.3 染料与 TiO2的作用22-23
• 1.6 密度泛函理论23-25
• 1.7 研究目的及研究内容25-26
• 第2章 染料敏化太阳能电池中二聚噻吩类光敏染料构效关系的理论研究26-35
• 2.1 引言26-27
• 2.2 计算方法27
• 2.3 结果与讨论27-33
• 2.3.1 电子给体的改变对 LHE、Φinj以及ηreg的影响28-30
• 2.3.2 电子给体的改变对 Ec和 nc的影响30-33
• 2.4 设计分子的理论表征33-34
• 2.5 结论34-35
• 第3章 染料敏化太阳能电池中 D-D-π-A 型染料结构和性能的理论研究35-44
• 3.1 引言35
• 3.2 计算方法35-36
• 3.3 结果与讨论36-43
• 3.3.1 双给体效应对几何结构、电子结构的影响37
• 3.3.2 双给体效应对吸收光谱的影响37-39
• 3.3.3 双给体效应对基态、激发态氧化电位的影响39-40
• 3.3.4 双给体效应对电子复合的影响40-42
• 3.3.5 双给体效应对导带移动的影响42-43
• 3.4 结论43-44
• 参考文献44-50
• 致谢50-51
• 在学期间公开发表论文及著作情况51

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