染料敏化太陽能電池中有機(jī)敏化劑的分子模擬與設(shè)計表征.pdf

1、隨著量子化學(xué)計算方法和高性能計算平臺的發(fā)展,利用計算機(jī)輔助材料分子的設(shè)計與性能表征,在計算機(jī)水平上完成虛擬的實驗合成已成為可能。近二十年來由于能源危機(jī)已迫使實驗研究者尋找可再生和清潔能源,而太陽能由于它的無限性以及其環(huán)境友好性已經(jīng)成為了光電領(lǐng)域中研究的焦點。世界各國實驗研究者們已經(jīng)為了充分利用太陽能而合成出了各種類型的有機(jī)光敏染料,但是大部分所合成的染料不能得到令人滿意的效率。而一些低效率的染料在實驗中并不能得到合理的解釋。因此借助量子

2、計算化學(xué)方法對實驗結(jié)果進(jìn)行深入的分析以及探討成為了必要,根據(jù)量子化學(xué)理論、密度泛函理論( DFT)、含時密度泛函理論(TD-DFT)、自然鍵軌道分析(NBO)、激發(fā)態(tài)理論,對所研究的體系選擇適當(dāng)?shù)幕M,通過構(gòu)型優(yōu)化得到體系的穩(wěn)定構(gòu)型,并在此穩(wěn)定構(gòu)型的基礎(chǔ)上模擬表征體系的紫外-可見吸收光光譜、紅外光譜、基態(tài)以及激發(fā)態(tài)的電荷布居分布和重組能等,從結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度得到體系的相關(guān)信息。利用這些數(shù)據(jù),進(jìn)行性能分析,并在合理歸納出的結(jié)果上進(jìn)行新的體系

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計與表征,為進(jìn)一步的實驗研究提供了理論依據(jù)。
　　全文共分為五個部分。
　　第一部分為引言,綜述了染料敏化太陽能電池的研究背景、研究進(jìn)展和染料敏化太陽能電池光敏劑的分類。
　　第二部分介紹了相關(guān)的量子化學(xué)理論和計算方法,為本文的研究提供了可靠的理論基礎(chǔ)。
　　第三部分包括了D-A-π-A和D-π-A構(gòu)型的吲哚染料在電子結(jié)構(gòu)、吸收光譜性能的理論研究,根據(jù)Wang和Tian等人在實驗中合成出的系列吲哚染料LS-

4、1、WS-1、WS-2、WS-5、WS-6和 WS-8,對該系列染料進(jìn)行了構(gòu)型的優(yōu)化,并在此基礎(chǔ)上模擬了該系列染料吸附于半導(dǎo)體二氧化鈦前后的紫外-可見吸收光譜、吸附于半導(dǎo)體二氧化鈦前后的前線分子軌道的能級變化、染料在光激發(fā)前后的NBO電荷密度變化、染料激發(fā)態(tài)電子的注入驅(qū)動力、染料分子的內(nèi)重組能,并在以上所得的數(shù)據(jù)之上分析了與短路電流密度 J sc大小的關(guān)系、與開環(huán)電壓 V oc大小的關(guān)系,從理論觀點解釋染料的電子結(jié)構(gòu)(D-A-π-A和D

5、-π-A構(gòu)型)與DSSCs的光伏性能之間的關(guān)系。最后根據(jù)已合成的染料WS-1、WS-2和WS-8設(shè)計了新的染料(D-π-A-A構(gòu)型),驗證了D-A-π-A電子構(gòu)型的吲哚染料為更優(yōu)的分子構(gòu)型,為后續(xù)實驗合成提供一定理論依據(jù)。
　　第四部分主要包含了以D-A-π-A為構(gòu)型的染料WS-9的進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾,根據(jù)Tian等人合成的吲哚染料WS-9,獨(dú)立設(shè)計了六個系列吲哚染料(DT、DQ、SDT、SDQ、CDT和CDQ系列),并對WS-9以

6、及設(shè)計的染料的紫外-可見吸收光譜、躍遷偶極矩、分子內(nèi)重組能、電荷注入速率趨勢、電荷損失速率趨勢幾方面性能進(jìn)行了表征與預(yù)測,快速篩選出了比WS-9性能高的新染料CDQ-A1,為后續(xù)實驗改進(jìn)提供一定理論依據(jù)。
　　第五部分主要為電池中染料二聚體以及電解質(zhì)中不同分子二聚體對電池性能的影響,以目前文獻(xiàn)報道中基于I-/I3-為電解質(zhì),三苯胺染料C219敏化的太陽能電池為根據(jù),計算了染料C219二聚體的相互作用、去氧膽酸CDCA二聚體的相互作