含富勒烯单元的太阳能电池有机染料敏化剂的分子设计与模拟

【摘要】：染料敏化太阳能电池由于其制作工艺简单、性能稳定、衰减少,与传统的太阳能电池相比,可进一步提高效率和降低成本的潜在优势,而染料敏化剂作为影响染料太阳能电池实现高效光电转换的重要因素之一,其相关结构和性能的研究成为当前的科研热点。 针对目前染料敏化剂分子研究中存在的两大亟待解决问题：如何解决红光附近及近红外区的无吸收问题；染料敏化剂分子在吸光后的激发方式如何。本课题充分利用了量子化学的优势,通过分子设计,以三维富勒烯C36、C50及其桥连型C50富勒烯二聚物Clo1作为7π共轭结构,4-乙基-噻吩并[3,2]吲哚、N-对甲氧基苯基-环戊烷并[3,2]二氢吲哚、桥连三苯胺以及三苯胺等强给电子基团为给电子基团,氰基丙烯酸为电子受体构建了十多种D-π-A型染料敏化剂分子结构。通过运用Gaussian09程序中B3LYP方法在6-311g,**基组水平上对其几何构型进行了全优化。在优化所得构型基础上,采用含时密度泛函中的TDB3LYP方法,在6-31+g*、cc-pvdz等基组水平上,结合使用PCM溶剂模型,模拟得到了各敏化剂分子在气相和二氯甲烷溶液中的电子吸收光谱。 通过对构型参数、分子轨道能级以及染料分子在气相中的主要激发态起主要贡献的分子轨道成分的分析,探寻了染料敏化剂分子中影响其光物理、光化学性质的微结构敏感部位,揭示了影响其光学性质的本质规律。研究结果表明：三维富勒烯结构的引入,特别是以N-对甲氧基苯基-环戊烷并[3,2]二氢吲哚为给电子基、以Clo1为π共轭结构的敏化剂分子,可实现染料敏化太阳能电池对可见光范围内各种辐射的良好吸收,激发方式为给电子基团向中心共轭富勒烯结构的电荷转移,从而保证了染料敏化剂分子实现高效的光电转换,这必将为合成出具有较高光电转换效率的太阳能电池提供重要的理论依据。 【关键词】：富勒烯 太阳能电池 染料敏化剂 分子模拟 量子化学计算
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TQ610.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 太阳能电池发展简介9
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)9-10
• 1.3 染料敏化剂10-16
• 1.3.1 金属钌配合物染料敏化剂10-12
• 1.3.2 纯有机染料敏化剂12-16
• 1.3.2.1 香豆素染料敏化剂12-13
• 1.3.2.2 吲哚类染料敏化剂13-14
• 1.3.2.3 三苯胺染料敏化剂14-15
• 1.3.2.4 咔唑类染料敏化剂15-16
• 1.3.2.5 N,N-二烷基染料敏化剂16
• 1.4 课题的提出16-18
• 第二章 理论计算方法18-26
• 2.1 理论基础18-20
• 2.1.1 分子轨道理论18-19
• 2.1.2 跃迁理论19-20
• 2.1.3 光诱导条件下产生的能量转移与电子转移20
• 2.2 密度泛函理论(DFT)20-24
• 2.2.1 Thomas-Fermi方法21
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn方程21-22
• 2.2.3 Kohn-Sham方程22-23
• 2.2.4 含时密度泛函理论23
• 2.2.5 电荷跃迁密度与电荷差异密度23-24
• 2.3 计算方法与基组的选择24-26
• 第三章 以C_(36)中心共轭部分设计的四种染料分子的基态与激发态研究26-39
• 3.1 引言26-27
• 3.2 计算方法27
• 3.3 结果与分析27-38
• 3.3.1 四种染料敏化分子的几何构型27-29
• 3.3.2 基态性质29-30
• 3.3.3 激发态性质30-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 以C_(50)为中心共轭部分设计的染料分子的基态与激发态性能研究39-52
• 4.1 计算方法39-40
• 4.2 结果与分析40-50
• 4.2.1 四种染料敏化分子的几何构型40-41
• 4.2.2 基态性质41-43
• 4.2.3 激发态性质43-50
• 4.3 本章小结50-52
• 第五章 以C_(101)为中心共轭部分设计的染料分子的基态与激发态性能研究52-63
• 5.1 计算方法52-53
• 5.2 结果与分析53-62
• 5.2.1 四种染料敏化分子的几何构型53-55
• 5.2.2 基态性质55-56
• 5.2.3 激发态性质56-62
• 5.3 本章小结62-63
• 第六章 结论63-64
• 参考文献64-72
• 攻读硕士期间发表的论文72-73
• 致谢73

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