染料敏化太陽能電池二氧化鈦光陽極研究

【摘要】：銳鈦礦二氧化鈦因是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料具有廣泛發(fā)展前景而受到廣泛關(guān)注,尤其是在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用引來多數(shù)學(xué)者的深入研究。在染料敏化太陽能電池中急需解決的問題是光電轉(zhuǎn)換效率的提高以及光陽極吸附染料的穩(wěn)定性。本文首先提出了一種第一性原理中對于幾何結(jié)構(gòu)模型收斂性測試的驗證方法,收斂性測試的主要目的在于對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。本文根據(jù)此種方法,對銳鈦礦二氧化鈦的截斷能和k點進(jìn)行收斂性測試。根據(jù)得到的驗證參數(shù),對銳鈦礦二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行理論計算,證明了銳鈦礦二氧化鈦是直接帶隙半導(dǎo)體的本質(zhì);通過對費米能級附近導(dǎo)帶和價帶的分析,明確了導(dǎo)帶和價帶的構(gòu)成機(jī)理;通過對光學(xué)性質(zhì)的分析,得到其吸收系數(shù)在1.0 105cm1-′數(shù)量級,說明很薄的晶體結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)光能的強(qiáng)吸收。其次,為了進(jìn)一步提高對光能的利用率,改善光電轉(zhuǎn)換效率,本文對二氧化鈦光陽極進(jìn)行了摻雜處理。根據(jù)摻雜濃度的不同,分別計算了單原子摻雜、雙原子摻雜和三原子摻雜三種情況。計算結(jié)果表明隨著摻雜濃度的增加,二氧化鈦光陽極表現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)十分令人滿意,三原子摻雜的情況是最佳的選擇,此時的帶隙大小為1.251eV,盡管帶隙的大小出現(xiàn)了明顯的縮小,但費米能級附近的導(dǎo)帶和價帶的組成沒有明顯的變化。針對雙原子摻雜的情況,詳細(xì)討論了摻雜位置對帶隙大小的影響,對稱結(jié)構(gòu)的摻雜由于氧原子微觀結(jié)構(gòu)受力對稱的原因?qū)е聨犊s小的程度大,說明摻雜的位置能夠影響整個結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征。雖然對稱摻雜的效果突出,但效果并不如三原子摻雜的情況理想。最后,根據(jù)前文計算合理的摻雜濃度以及摻雜的位置的條件,研究染料分子在銳鈦礦二氧化鈦(101)表面的吸附性能。本文主要研究具有-COOH、-CN、-OH三種官能團(tuán)的染料分子,首先分析了三種染料分子在純凈銳鈦礦二氧化鈦的(101)表面吸附的穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明,在相同的計算條件下,以-COOH為官能團(tuán)的染料分子的吸附能最大,證明其在(101)表面吸附的穩(wěn)定性最好。此外,計算分析了以-COOH為官能團(tuán)的染料分子在不同摻雜濃度和不同的摻雜位置的結(jié)構(gòu)中(101)表面吸附的穩(wěn)定性,最終的計算結(jié)果表明,在雙摻雜對稱結(jié)構(gòu)中的吸附能最大,這種結(jié)構(gòu)也最理想。全文從光陽極自身的結(jié)構(gòu)特點和染料分子吸附的穩(wěn)定性兩方面考慮染料敏化太陽能電池對中光陽極的合理要求,最終在權(quán)衡兩者之間的優(yōu)劣之后得到的結(jié)論是:理想的染料分子是具有-COOH官能團(tuán)的染料分子,而光陽極選擇雙原子摻雜的對稱結(jié)構(gòu),這樣的合理搭配在即滿足光電轉(zhuǎn)換效率的同時,也滿足了染料分子吸附的穩(wěn)定性。 【關(guān)鍵詞】：第一性原理 二氧化鈦 光陽極 摻雜濃度 摻雜位置 吸附能
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 選題背景及研究意義10-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池光陽極的研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池染料的研究現(xiàn)狀15
• 1.2.3 染料敏化太陽能電池電解液的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.4 染料敏化太陽能電池對電極的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容17-20
• 第2章 理論基礎(chǔ)與計算方法20-32
• 2.1 密度泛函理論20-26
• 2.1.1 交換關(guān)聯(lián)近似23-24
• 2.1.2 贗勢方法24-26
• 2.2 物理性質(zhì)計算26-29
• 2.2.1 計算過程26-27
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化27-28
• 2.2.3 能帶結(jié)構(gòu)28-29
• 2.2.4 態(tài)密度29
• 2.3 計算結(jié)果及分析方法29-30
• 2.4 本章小結(jié)30-32
• 第3章 純銳鈦礦二氧化鈦特性研究32-54
• 3.1 純銳鈦礦結(jié)構(gòu)模型32-33
• 3.2 收斂性測試33-37
• 3.2.1 截斷能收斂性測試34-35
• 3.2.2 k-piont的收斂性測試35-37
• 3.3 幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化37-38
• 3.4 能帶結(jié)構(gòu)分析38-40
• 3.5 態(tài)密度分析40-44
• 3.6 光學(xué)性質(zhì)分析44-49
• 3.6.1 復(fù)介電函數(shù)44-45
• 3.6.2 復(fù)折射率45-46
• 3.6.3 光電導(dǎo)率46-47
• 3.6.4 反射譜47-48
• 3.6.5 吸收譜48-49
• 3.7 載流子的有效質(zhì)量49-52
• 3.8 本章小結(jié)52-54
• 第4章 金屬元素?fù)诫s特性研究54-70
• 4.1 金屬元素?fù)诫s分析55-61
• 4.1.1 物理模型和計算方法55-56
• 4.1.2 能帶結(jié)構(gòu)對比分析56-57
• 4.1.3 態(tài)密度對比分析57-61
• 4.2 金屬摻雜濃度的研究61-65
• 4.2.1 物理模型和計算方法61-63
• 4.2.2 能帶結(jié)構(gòu)對比分析63-64
• 4.2.3 鉑原子分態(tài)密度對比分析64-65
• 4.2.4 吸收光譜對比分析65
• 4.3 摻雜位置的分析65-69
• 4.3.1 物理模型和計算方法66-67
• 4.3.2 計算數(shù)據(jù)對比分析67-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第5章 有機(jī)染料吸附特性研究70-82
• 5.1 純銳鈦礦（101）表面和染料分子模型71-74
• 5.1.1 計算模型及計算細(xì)節(jié)71-74
• 5.1.2 吸附能計算74
• 5.2 摻雜對吸附能的影響74-78
• 5.2.1 摻雜濃度對吸附能的影響75
• 5.2.2 計算模型和計算結(jié)果75-77
• 5.2.3 吸附能計算77-78
• 5.3 摻雜位置對吸附的影響78-80
• 5.3.1 摻雜位置對吸附能的影響78
• 5.3.2 計算模型和計算結(jié)果78-79
• 5.3.3 吸附能計算79-80
• 5.4 本章小結(jié)80-82
• 第6章 本文總結(jié)與展望82-86
• 6.1 全文總結(jié)82-83
• 6.2 研究展望83-86
• 參考文獻(xiàn)86-94
• 作者簡介及科研成果94-96
• 致謝96

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