太阳能电池中具有D-A-π-A构型的染料敏化剂分子的理论设计与表征

【摘要】：随着能源和环境问题的不断突显，寻求一种高效、清洁的新能源成为科研工作者亟待解决首要问题。在此背景下太阳电池应运而生，其中染料敏化太阳电池（DSSCs）以其丰富的原料、低廉的成本、相对简单的制作工艺、较强的可塑性以及原材料和制备工艺均是无毒，无污染等优点而备受关注。光敏化剂作为染料敏化太阳能电池的主要组成部分，理论工作者可以通过模拟染料分子的结构，并结合可靠的理论计算方法，在此基础上对染料分子的电子结构的理论研究从而来揭示这种分子的宏观属性的微观本质。最终为实验工作者设计和合成性能更加优异的染料分子提供理论支持。 目前染料分子的所有构型当中，D-A-π-A构型由于在传统的D-π-A构型中引入一个亲电性的辅助基团（A），使得染料分子的吸收光谱发生明显红移，摩尔消光系数显著提高，并且内外电路电荷复合的能力大大的降低，而被广泛研究。本论文主要以实验合成的吲哚和三苯胺基的D-A-π-A构型的染料分子（IQ2和TQ2）为基础，结合量子化学中的密度泛函（DFT）、含时密度泛函（TD-DFT）、自然键轨道分析（NBO）和C-PCM极化连续介质模型等理论方法对其进行理论设计和表征。其中具体的研究工作如下： （1）以吲哚和三苯胺为骨架的染料分子（IQ2和TQ2）作为基础，通过取代原有构型中的桥联噻吩，重新设计分别以呋喃和苯环为桥联基团的D-A-π-A构型的染料分子（IQB、IQF、TQB和TQF），并对所有染料分子（包括IQ2和TQ2）的几何和电子结构，光谱属性，光捕获效率，激子结合能，第一激发态的寿命，注入驱动力，偶极矩和注入半导体导带中的电子数目以及染料分子与碘化物之间的稳定化能等主要影响短路电流JSC和开路电压VOC参数进行理论研究。并且得到与实验结果相一致的结论，从而表明可以通过以上参数对染料分子光电性能进行筛选和表征； （2）理论研究在D-A-π-A构型中不同的给电子基（吲哚和三苯胺）和桥联基团（苯基、呋喃和噻吩）对染料分子整体性能影响。并发现染料分子IQ2和TQ2具有更好的光电性能尤其是IQ2（与实验结果一致）。我们通过详细的研究表明：在IQ2分子构型中吲哚作为给电子基团和噻吩作为桥联基团时，对其光物理和电化学性质的影响尤为明显； （3）在筛选得到的染料分子IQ2的基础上，通过将原D-A-π-A构型中的额外供电子基喹喔啉上的部分原子和桥联基噻吩进行替换，得到新的染料分子（IQS1、IQS2和IQS3）。通过上述表征手段进行研究发现相：比较IQ2，我们重新设计的IQS2和IQS3表现出更好光捕获效率和较长的第一激发态寿命。更重要的是通过我们的设计筛选工作，对今后设计和合成高效光敏分子提供理论方面的支持。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 D-A-π-A构型染料 密度泛函 含时密度泛函 辅助吸电子基
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O641
【目录】：

• 中文摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 1 绪论12-19
• 1.1 引言12-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池13-16
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的基本结构13-15
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理15-16
• 1.3 非金属染料敏化剂16-19
• 1.3.1 染料敏化剂分子的设计原则16-17
• 1.3.2 染料敏化剂分子的研究进展17-19
• 2 理论基础和方法19-33
• 2.1 引言19-20
• 2.2 量子化学的理论基础和方法20-32
• 2.2.1 分子轨道理论20-21
• 2.2.2 组态相互作用21-22
• 2.2.3 密度泛函理论22-25
• 2.2.4 激发态理论25-26
• 2.2.5 基组的选择26-28
• 2.2.6 分子光谱理论28-30
• 2.2.7 溶剂化效应30-32
• 2.3 计算量子化学在太阳能电池染料分子设计中的应用32-33
• 3 设计和表征具有 D-A-π-A 构型的染料敏化剂分子33-52
• 3.1 引言33-34
• 3.2 计算方法34-38
• 3.2.1 理论基础34-36
• 3.2.2 计算详述36-38
• 3.3 结果与讨论38-50
• 3.3.1 几何结构和电子结构38-40
• 3.3.2 紫外-可见吸收光谱40-43
• 3.3.3 激发态的寿命43-44
• 3.3.4 激子结合能44
• 3.3.5 重组能44-45
• 3.3.6 注入驱动力45-46
• 3.3.7 垂直偶极矩46-47
• 3.3.8 自然电荷排布分析47-49
• 3.3.9 染料分子与碘的相互作用49-50
• 3.4 结论50-52
• 4 设计高效的 D-A-π-A 构型的染料敏化剂分子52-57
• 4.1 引言52-53
• 4.2 计算方法53
• 4.3 结果与讨论53-55
• 4.4 结论55-57
• 参考文献57-69
• 硕士期间的论文发表情况69-70
• 致谢70

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