染料敏化太陽能電池中新型三聯(lián)吡啶類釕配合物染料的理論研究與設計

【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSSCs)作為一種十分具有發(fā)展前景的新型太陽能轉(zhuǎn)化設備,擁有柔韌性高,制作成本低廉,對環(huán)境污染較小以及較高的轉(zhuǎn)化效率等其他太陽能電池無法相比的優(yōu)勢,吸引了眾多的關注和研究。但由于多種因素的限制,DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率仍然低于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池,這在一定程度上限制了它的大規(guī)模市場化應用。DSSCs由多種組分構(gòu)成,其中染料分子是DSSCs的核心部分,不同結(jié)構(gòu)性質(zhì)的染料分子會對DSSCs的轉(zhuǎn)換效率造成不同程度的影響。在眾多種類的染料分子中,釕系-多聯(lián)吡啶類染料一直表現(xiàn)出較為優(yōu)良的光伏特性,由其組成的DSSCs轉(zhuǎn)化效率也較高。但釕系染料卻由于在近紅外區(qū)的光吸收強度較低,限制了其效率的進一步提高。為攻克這一難關,僅僅依靠實驗上進行設計與優(yōu)化合成染料分子,顯然需要浪費極大的人力物力。而通過量子化學計算的方法設計并預測具有更高效率的染料分子,能夠節(jié)省實驗上所花費的時間物力,并有助于深入理解電池工作機理。本論文設計研究了釕系-三聯(lián)吡啶類新型染料分子,并通過密度泛函理論(DFT)及含時密度泛函理論(TDDFT)方法,對影響電池開路電壓以及短路電流的多個主要因素進行了系統(tǒng)性的討論,從而為實驗合成高效率釕系染料分子提供理論性的指導幫助。主要研究工作包括以下兩部分:(1)為了克服傳統(tǒng)的釕系染料在近紅外區(qū)域金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移帶較低的摩爾消光系數(shù)(ε)這一缺點,我們在實驗合成的HIS-2分子基礎上,設計并探究了兩個新型的釕系染料,HIS-2a和HIS-2b。通過理論計算,系統(tǒng)性的研究了影響短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)的關鍵因素,諸如導帶邊位移,電子結(jié)構(gòu),光吸收效率,電子注入驅(qū)動力,電子耦合等。計算結(jié)果表明,HIS-2a與HIS-2和HIS-2b分子相比,近紅外區(qū)的吸收光譜更為紅移,躍遷強度也有所增強,從而能夠產(chǎn)生更大的Jsc。同時,HIS-2a分子的導帶邊位移與另兩個分子相比并無太大變化,并不會影響到Voc。因此我們可以推測HIS-2a是潛在的高性能染料分子。(2)基于實驗合成的磷化氫配體的釕系染料DX1,設計了一系列釕系染料DX2-DX5,目的是增強近紅外區(qū)域的光吸收能力,進而提高短路電流密度(Jsc)。采用DFT和TDDFT計算討論了染料分子的光學和光伏性質(zhì),并考慮的旋軌耦合(SOC)效應的影響。通過研究染料分子的光吸收效率,電子注入驅(qū)動力,染料再生驅(qū)動力,電子耦合以及導帶邊位移等因素,討論了引起Jsc和開路電壓(Voc)變化的主要原因。計算結(jié)果表明,DX5分子在近紅外區(qū)的光吸收效率和導帶邊位移與其他染料分子相比有了較大提高,進而提升Jsc和Voc值。 【關鍵詞】：染料敏化太陽能電池 密度泛函理論 釕(II)三聯(lián)吡啶染料分子 光吸收效率 導帶邊位移
【學位授予單位】：東北師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O641.4;TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-5
• 英文摘要5-9
• 第一章 引言9-23
• 1.1 太陽能與太陽能電池概述9-10
• 1.1.1 太陽能概述9
• 1.1.2 太陽能電池概述9-10
• 1.2 染料敏化太陽能電池概述10-13
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作機理10-11
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的性能表征參數(shù)11-13
• 1.3 染料敏化太陽能電池中的光敏染料13-18
• 1.3.1 金屬釕類配合物染料14-16
• 1.3.2 有機染料16-18
• 1.3.3 卟啉類和酞菁類染料18
• 1.4 染料敏化太陽能電池的理論研究進展18-21
• 1.4.1 單體染料的理論研究19
• 1.4.2 二氧化鈦-染料相互作用的理論研究19-21
• 1.5 密度泛函方法概述21-22
• 1.6 本文選題意義和研究內(nèi)容22-23
• 1.6.1 選題意義22
• 1.6.2 研究內(nèi)容22-23
• 第二章 理論研究和設計染料敏化太陽能電池中高性能表現(xiàn)的釕(II)Π-擴展三聯(lián)吡啶染料23-34
• 2.1 前言23-24
• 2.2 理論背景和計算細節(jié)24-26
• 2.2.1 理論背景24-25
• 2.2.2 計算細節(jié)25-26
• 2.3 結(jié)果與討論26-33
• 2.3.1 影響Voc的因子26-28
• 2.3.2 影響Jsc的因子28-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 染料敏化太陽能電池中高效率釕系染料的理論探究和設計：DFT和相對性TDDFT計算34-44
• 3.1 前言34-35
• 3.2 計算方法35-36
• 3.3 結(jié)果與討論36-42
• 3.3.1 探究影響Jsc的因素36-41
• 3.3.2 探究影響Voc的因素41-42
• 3.4 本章小結(jié)42-44
• 結(jié)語44-45
• 參考文獻45-54
• 致謝54-55
• 在學期間公開發(fā)表論文及著作情況55

您可以在本站搜索以下學術論文文獻來了解更多相關內(nèi)容

染料敏化太陽能電池中凝膠電解質(zhì)的研究    陳振寧;趙慨;吳曉宏;王艷萍;

一類窄帶隙芴基共聚物的合成及其在發(fā)光二極管和太陽電池中的應用    孫明亮;王藜;夏養(yǎng)君;杜斌;劉然升;曹鏞;

    

基于MATLAB/Simulink的DSSC模擬仿真    康姣;胡志強;周紅茹;詹前鑫;

反型聚合物太陽能電池的研究    李福民

基于表面等離子體共振增強的聚合物太陽能電池研究    徐鵬

半透明聚合物太陽能電池的研究    徐洋

染料敏化太陽能電池中新型三聯(lián)吡啶類釕配合物染料的理論研究與設計    杜薇

三苯胺類染料敏化劑的合成及其性能研究    胡曉浩

染料敏化太陽能電池陽極的制備與性能研究    陳堯

TiO_2光電池陽極制備及敏化工藝研究    顏源

量子點敏化及磁場作用下染料敏化太陽能電池光電性能的研究    王菁

退火及功能層插入對P3HT：PCBM電池特性的影響    毛艷霞

單晶硅太陽電池性能優(yōu)化計算    邱奇

基于本體異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽能電池光電性能的研究    陳雄

基于新活性材料的有機聚合物太陽能電池的研究    韓桂芝

退火及碘摻雜對提高聚合物太陽能電池性能的研究    卓祖亮