光敏量子點與太陽能電池的第一性原理研究

【摘要】： 量子點,又可稱為納米晶,通常是一種由Ⅱ族,Ⅲ-Ⅴ族元素以及過渡金屬組成的納米顆粒。量子點的粒徑一般介于2-10 Nm之間,穩(wěn)定、溶于水。目前研究較多的是貴金屬量子點Au,Ag等,半導體量子點,如TiO2、CdS、CdSe等。近來,量子點由于其獨特的性質越發(fā)受到人們的重視,其研究內容涉及到化學、物理、生物、材料等多學科,已經(jīng)成為一門新興的交叉學科。量子點獨特的性質主要基于它自身的量子效應。當顆粒尺寸進入納米量級時,尺寸的限制將引起量子限域效應、尺寸效應、宏觀量子效應和表面效應。從而派生出納米體系具有不同的低維物性,因而展現(xiàn)出諸多不同于宏觀材料的物理與化學性質,這在非線性光學、光伏材料,磁介質、光催化、醫(yī)藥等方面有著極具潛力的應用價值。 有機光伏電池是一種用有機材料制成的太陽能電池,主要由導電的有機聚合物或者小的有機分子組成。它具有成本低的特點,且有許多優(yōu)良的特性,如柔性,異成膜等。有機分子的光吸收系數(shù)很高,因此少量的材料便可以吸收大量的光能。它主要的缺點是目前開發(fā)的產品效率較低,但它卻有較高的理論光電轉化率,很有研究價值與潛力。 在第一章中,我們簡單的介紹了密度泛函理論的框架,從最初的Thomas-Fermi模型到Hohenberg-Kohn定理,再到Khon-Sham方程。相應的含時密度泛函理論,從Runge-Gross定理到含時的Kohn-Sham方程,我們都做了系統(tǒng)的介紹,在此基礎上,我們還介紹了時域下通過傳播密度矩陣來求解含時的Kohn-Sham方程。最后,我們介紹了最小開關的Surface Hopping方法,以及線寬理論。 第二章中,我們研究了銀量子點的電聲耦合動力學。銀量子點作為一種貴金屬,具有特別的局域表面等離子共振現(xiàn)象。其均勻共振線寬主要由去相干／去相位時間與激發(fā)態(tài)壽命(即馳豫時間)共同決定。我們首先研究了聲子誘導的等離子激元去相干作用。結果表明等離子激發(fā)中電聲耦合導致的去相干是總的去相干作用中重要的組成部分。較小的銀納米晶,其聲子誘導的等離子激發(fā)去相干時間更短。此外,溫度對去相干的影響較大,低溫時的聲子運動不活躍,因此其誘導的去相干較為不明顯。接下來,結合最小開關的surface hopping與含時Kohn-Sham方法,我們研究了銀量子點等離子激發(fā)態(tài)的電聲馳豫動力學。通過模擬得到一系列等離子激發(fā)態(tài)的馳豫時間在500至1800 fs之間。其中,低能激發(fā)要快于高能激發(fā)的馳豫時間,這和超快光譜得到的實驗結果基本一致。 在第三章中,我們研究了染料敏化太陽能電池中染料-納米晶界面間的電荷轉移動力學。首先,運用時域中傳播密度矩陣解含時Kohn-Sham方程的方法,我們研究了三種染料-TiO2納米晶復合體系。電子動力學模擬得到的結果表明,從激發(fā)態(tài)染料分子向二氧化鈦轉移的過程很快,只有幾個飛秒,這很好的符合實驗測量的結果。同時,我們發(fā)現(xiàn),當納米晶尺寸很小時,電子轉移的尺寸效 應更加明顯。而當尺寸增大時,其量子尺寸效應迅速的降低。第二部分,我們運用非絕熱的分子動力學方法,研究了小尺寸alizarin敏化的TiO2納米晶界面間的多指數(shù)電子轉移過程。這種多指數(shù)的電子轉移主要來源于納米晶導帶的能級分立,因而導致了絕熱與非絕熱機理共同作用于電子轉移過程。此外,該體系具有很慢的電子反向轉移過程。這部分理論研究為提高太陽能電池的效率提供了一定的指導意義。 最后,運用量子化學方法,我們還研究了一類有機多聚體異質結,BBL-P3HT與TB1-P3HT的電子結構和光譜。研究結果表明這類異質結的吸收光譜同時覆蓋了可見與紅外波段,這體現(xiàn)了他們具有良好的采光特性。此外,兩者的光活性激發(fā)態(tài)都有著顯著的電荷分離現(xiàn)象,這表明其光激發(fā)態(tài)更傾向形成分離的電荷,而不是形成激子,這有可能會克服光伏材料中普遍存在的激子瓶頸問題。 【關鍵詞】：
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-14
• 第二章 理論背景知識14-28
• 2.1 靜態(tài)密度泛函理論14-16
• 2.1.1 Tomas-Fermi模型14
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn理論14
• 2.1.3 Kohn-Sham方程:有效單電子近似14-16
• 2.2 含時密度泛函理論16-17
• 2.3 線性相應理論17-19
• 2.4 時域傳播約化單電子密度矩陣19-20
• 2.5 TDKS-FSSH理論20-25
• 2.5.1 TDKS理論與非絕熱耦合21
• 2.5.2 半經(jīng)典去相干/去相位(dephasing)模型21-22
• 2.5.3 Kohn-Sham表象下的FSSH方法22-23
• 2.5.4 退相干(decoherence)效應23-25
• 參考文獻25-28
• 第三章 銀量子點中等離子激元電聲耦合動力學28-48
• 3.1 銀量子點中聲子誘導的等離子激發(fā)去相干動力學28-37
• 3.1.1 研究背景28-30
• 3.1.2 理論模型30
• 3.1.3 研究結果與討論30-37
• 3.1.4 小結37
• 3.2 銀量子點中聲子誘導的等離子激發(fā)馳豫動力學37-45
• 3.2.1 研究背景37-38
• 3.2.2 理論方法與模型38-39
• 3.2.3 計算結果和討論39-43
• 3.2.4 小結43-45
• 參考文獻45-48
• 第四章 染料-TiO_2界面的電荷轉移動力學48-71
• 4.1 染料敏化TiO_2的電子注入動力學48-58
• 4.1.1 研究背景48-49
• 4.1.2 數(shù)值方法和結果討論49-58
• 4.1.3 小結58
• 4.2 小尺寸Alizarin-TiO_2納米晶界面電荷轉移的非絕熱動力學研究58-67
• 4.2.1 研究背景58-59
• 4.2.2 計算方法與細節(jié)59-60
• 4.2.3 計算結果與討論60-66
• 4.2.4 小結66-67
• 參考文獻67-71
• 第五章 有機半導體異質結的電子結構和光譜71-82
• 5.1 研究背景71-72
• 5.2 理論方法與模型72-73
• 5.3 計算結果與討論73-78
• 5.4 結論78-80
• 參考文獻80-82
• 致謝82-84

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