染料敏化太陽能電池中高性能D-π-A型芳胺類有機染料的理論設(shè)計和表征

【摘要】：隨著能源危機與環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,人們對清潔能源的渴望越來越強烈。自從1991年,Gr?tzel等人做出的染料敏化太陽能電池(DSSC)突破性工作,使DSSC受到科學(xué)家們廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體電池相比,DSSC具有成本低廉,制作工藝簡單,質(zhì)地輕柔等優(yōu)點,目前最高的效率已達(dá)13.0%。但是13.0%的效率并不能和傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體電池相提并論,同時,其距離大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)也還有很長的路要走。因此,繼續(xù)優(yōu)化DSSC器件的性能,提高DSSC的效率成為當(dāng)下DSSC領(lǐng)域中最重要的課題。染料,作為DSSC的核心關(guān)鍵組成,決定著DSSC器件性能的高低。因此,從本質(zhì)上理解染料分子結(jié)構(gòu)是如何影響DSSC器件性能的就顯得尤為重要。我們通過量子化學(xué)計算,對影響DSSC效率的兩個重要物理參數(shù),短路電流(Jsc)和開路電壓(Voc)進(jìn)行多方面探討,比如幾何、電子結(jié)構(gòu),吸收性質(zhì),導(dǎo)帶能級移動等等,對實驗報道的染料敏化劑進(jìn)行合理地解釋,并構(gòu)建染料敏化劑結(jié)構(gòu)-性能之間關(guān)系,以期望設(shè)計出高性能的染料敏化劑替代者,為DSSC領(lǐng)域中染料敏化劑的設(shè)計提供一定的理論支持。本文主要包括兩部分研究工作:第一部分:為了合理解釋具有相似分子結(jié)構(gòu)的1和2效率相差很大的原因(染料1:1.24%;染料2:8.21%)(Advanced Functional Materials 2012,22,1291-1302),我們利用密度泛函理論(DFT)和含時密度泛函理論(TD-DFT)對Jsc和Voc等因素進(jìn)行探討。我們的結(jié)果表明了:分子2由于插入了一個苯環(huán),增加了染料陽離子空穴到半導(dǎo)體表面的距離;并且使苯并噻二唑(BTDA)單元(和電解液有較強的相互作用)遠(yuǎn)離了半導(dǎo)體,使得相比于分子1,染料分子2的電子復(fù)合速率減小。但這種修飾使得分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的改變,進(jìn)而削弱了分子的光捕獲能力。因此,為了既保持分子2的優(yōu)點,又克服其缺點,我們在此基礎(chǔ)上,又設(shè)計了兩個具有更好的共軛程度、更遠(yuǎn)的BTDA位置、以及更長的分子尺寸的染料(6和7)。結(jié)果表明我們可以通過合理的分子設(shè)計來得到理想的性質(zhì),獲得高性能染料,進(jìn)一步提高DSSC的效率。第二部分:本文結(jié)合DFT以及TD-DFT圍繞六個染料的幾何、電子結(jié)構(gòu),吸收光譜,電子注入壽命,染料吸附后導(dǎo)帶能級的移動,以及電子復(fù)合速率等性質(zhì)進(jìn)行討論。結(jié)果表明:除了TPA-P-BTBA分子,其余分子均展現(xiàn)出可以和TPA-T-CA相媲美甚至超越其的光捕獲能力;所有染料的電子注入壽命均在飛秒(fs)尺度上,均展現(xiàn)出超快的電子注入速率;染料吸附之后所引起的導(dǎo)帶能級移動均為0.25 eV左右,均有利于Voc的提高。重要的是,對于電子復(fù)合速率,TPA-T-CA約為TPA-T-EBTBA和TPA-P-EBTBA的44倍,為TPA-T-BTBA的11倍,因此推測,TPA-P-EBTBA,TPA-T-EBTBA,以及TPA-T-BTBA將具有更高的短路電流,開路電壓和效率,將成為DSSC領(lǐng)域中具有潛力的優(yōu)秀光敏劑替代者。我們的設(shè)計將會給實驗帶來有力的理論指導(dǎo)和支持。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 密度泛函理論 電子結(jié)構(gòu) 電子復(fù)合速率 電子注入壽命
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-28
• 1.1 引言10
• 1.2 太陽能和太陽能電池10-14
• 1.2.1 太陽能10-11
• 1.2.2 太陽光譜11-12
• 1.2.3 太陽能電池12-14
• 1.3 有機染料敏化太陽能電池14-21
• 1.3.1 有機染料敏化太陽能電池的工作原理14-15
• 1.3.2 有機染料敏化太陽能電池的評價指標(biāo)15-16
• 1.3.3 有機染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展16-21
• 1.4 量子化學(xué)方法21-26
• 1.4.1 薛定諤方程21-23
• 1.4.2 Hartree-Fock方程23-24
• 1.4.3 密度泛函理論24-26
• 1.5 本論文的選題思路與研究內(nèi)容26-28
• 1.5.1 選題意義26-27
• 1.5.2 研究內(nèi)容27-28
• 第2章 苯并噻二唑類有機染料敏化太陽能電池中電子復(fù)合程度和光捕獲效率調(diào)節(jié)的理論研究28-43
• 2.1 前言28-29
• 2.2 計算方法29-30
• 2.3 結(jié)果與討論30-41
• 2.3.1 開路電壓Voc差別的理論解釋30-36
• 2.3.2 短路電流Jsc差別的理論解釋36-40
• 2.3.3 染料敏化劑的優(yōu)化設(shè)計40-41
• 2.4 本章小結(jié)41-43
• 第3章 高性能D-π-A型三芳胺類有機光敏染料的理論設(shè)計和表征43-52
• 3.1 前言43-44
• 3.2 計算方法44
• 3.3 結(jié)果與討論44-51
• 3.3.1 幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)45-46
• 3.3.2 吸收光譜的影響46-48
• 3.3.3 電子注入壽命48-49
• 3.3.4 導(dǎo)帶移動49
• 3.3.5 電子復(fù)合49-50
• 3.3.6 理論預(yù)測50-51
• 3.4 本章小結(jié)51-52
• 參考文獻(xiàn)52-61
• 致謝61-62
• 在學(xué)期間公開發(fā)表論文及著作情況62

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