染料敏化太陽能電池有機光敏分子的理論研究

【摘要】： 自從20年前發(fā)明染料敏化太陽能電池(DSSC)以來,研究人員一直在尋找性能優(yōu)良的光敏劑用于DSSC,以期改善DSSC的光電性能,提高光電能量轉(zhuǎn)換效率。為了降低DSSC的成本,最近幾年研究者們開始關注使用非金屬有機光敏劑染料來代替貴金屬配合物。經(jīng)過多年的探索,目前已經(jīng)認識到適合于高效率DSSC的非金屬有機光敏劑分子應該具有“電子給體—共軛橋—電子受體(D—π—A)”型分子結(jié)構(gòu)。 目前已經(jīng)合成了多種D—π—A型非金屬有機光敏劑,并用于敏化DSSC,使DSSC光電能量轉(zhuǎn)換效率逐步提高。但目前DSSC的光電能量轉(zhuǎn)換效率仍然不到10%,還遠沒有達到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的地步。主要問題是：染料分子的吸收光譜位于紫外—可見光光譜的短波區(qū),不能充分利用太陽能；由染料激發(fā)態(tài)向TiO2電極的電荷轉(zhuǎn)移效率較低。合成吸收光譜明顯紅移的有機染料光敏劑,是目前DSSC研究的迫切任務。 由于有機分子結(jié)構(gòu)的多樣性,通過分子修飾有可能調(diào)整分子的光物理和電化學特性,使之適合于敏化DSSC。在嘗試合成染料分子前,如果能夠在理論上通過對分子進行修飾并預言其性能而設計新分子,將是非常經(jīng)濟和快捷的方法。本文通過對目前合成的幾類染料分子的DFT/TDDFT模擬計算,并與實驗結(jié)果進行比較,尋找影響DSSC光電性能和光電能量轉(zhuǎn)換效率的光敏劑分子的關鍵指標；以這些指標為依據(jù),對目前已經(jīng)合成的兩種染料分子進行修飾,從中挑選出性能優(yōu)良的敏化DSSC的有機分子,為進一步合成高效率非金屬有機染料分子提供參考。 通過對二氫吲哚類、多烯類和呋喃類染料分子的DFT/TDDFT模擬計算,并與實驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),染料分子的HOMO和LUMO能級,吸收光譜以及摩爾吸光系數(shù)是決定DSSC性能的關鍵因素。 通過增加共軛橋(次甲基鏈、噻吩環(huán)、呋喃環(huán))的DFT/TDDFT計算表明,共軛橋的增長,確實能引起分子吸收光譜的紅移。但計算結(jié)果也表明,共軛橋不宜太長,以1個單元為合適,不宜超過2個單元。 通過在染料D5分子骨架上的不同部位引入不同的給電子基(-OH,-NH2,-OCH3)和受電子基(-CF3,-F,-CN),設計54種D5同類物分子。通過DFT/TDDFT模擬計算這些分子的幾何結(jié)構(gòu)、吸收光譜,以及能級結(jié)構(gòu),從中篩選出兩種分子,由其敏化的DSSC的性能可能優(yōu)于D5分子。同樣,對含呋喃染料F1的分子修飾也篩選出兩種分子的性能可能優(yōu)于染料F1分子。這為進一步合成高效的DSSC光敏劑提供了理論參考。 【關鍵詞】：密度泛函理論 染料敏化太陽能電池 光敏劑 非金屬有機分子 分子設計
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-29
• 1.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理10-11
• 1.2 描述DSSC性能的光伏參數(shù)11-15
• 1.2.1 光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)11-13
• 1.2.2 光電流/電壓曲線(J/V曲線)13
• 1.2.3 開路光電壓(V_(OC))13-14
• 1.2.4 短路光電流密度(J_(SC))14
• 1.2.5 填充因子(ff)14
• 1.2.6 光電能量轉(zhuǎn)換效率(η)14-15
• 1.3 染料光敏劑15-16
• 1.4 電子給體-π橋基-電子受體結(jié)構(gòu)有機染料16-26
• 1.4.1 香豆素染料(coumarin dyes)16-18
• 1.4.2 多烯類染料(polyene dyes)18-22
• 1.4.3 噻吩類染料(thiophene-based dyes)22-24
• 1.4.4 吲哚類染料(indoline dyes)24-25
• 1.4.5 箐類染料(hemicyanine dyes)25-26
• 1.5 密度泛函理論(DFT)26-28
• 1.6 本文的研究目的和計算方案28-29
• 2 有機染料分子的密度泛函理論計算29-55
• 2.1 二氫吲哚類染料用做DSSC光敏劑的DFT計算29-36
• 2.1.1 分子結(jié)構(gòu)30-31
• 2.1.2 吸收光譜31-33
• 2.1.3 能級結(jié)構(gòu)33-34
• 2.1.4 染料分子的化學穩(wěn)定性比較34-36
• 2.2 D-SS和D-ST染料用做DSSC光敏劑的DFT計算36-44
• 2.2.1 分子結(jié)構(gòu)37-39
• 2.2.2 吸收光譜39-41
• 2.2.3 分子軌道能級結(jié)構(gòu)41-44
• 2.3 呋喃染料用做DSSC光敏劑的DFT計算44-54
• 2.3.1 分子結(jié)構(gòu)45-47
• 2.3.2 吸收光譜47-50
• 2.3.3 分子軌道能級結(jié)構(gòu)50-54
• 2.4 本章小結(jié)54-55
• 3 染料分子共軛橋的擴展55-67
• 3.1 分子結(jié)構(gòu)55-57
• 3.2 吸收光譜57-62
• 3.3 分子軌道能級結(jié)構(gòu)62-66
• 3.4 本章小結(jié)66-67
• 4 用于染料敏化太陽能電池的D5同類物分子設計67-87
• 4.1 染料D5分子的特性69-74
• 4.1.1 分子結(jié)構(gòu)69-71
• 4.1.2 能級結(jié)構(gòu)71
• 4.1.3 吸收光譜71-74
• 4.2 染料D5同類物分子設計74-77
• 4.3 分子結(jié)構(gòu)77-80
• 4.4 能級結(jié)構(gòu)80-82
• 4.5 吸收光譜82-86
• 4.6 染料D5同類物分子設計結(jié)論86-87
• 5 含呋喃分子用于染料敏化太陽能電池的分子設計87-97
• 5.1 分子設計88-89
• 5.2 分子結(jié)構(gòu)89-91
• 5.3 能級結(jié)構(gòu)91-93
• 5.4 吸收光譜93-96
• 5.5 含呋喃同類物有機染料分子設計結(jié)論96-97
• 結(jié)論97-99
• 參考文獻99-110
• 創(chuàng)新點摘要110-111
• 博士學位期間發(fā)表學術論文情況111-112
• 致謝112-113
• 作者簡介113-115

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