含富勒烯單元的太陽(yáng)能電池有機(jī)染料敏化劑的分子設(shè)計(jì)與模擬

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池由于其制作工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、衰減少,與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池相比,可進(jìn)一步提高效率和降低成本的潛在優(yōu)勢(shì),而染料敏化劑作為影響染料太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換的重要因素之一,其相關(guān)結(jié)構(gòu)和性能的研究成為當(dāng)前的科研熱點(diǎn)。 針對(duì)目前染料敏化劑分子研究中存在的兩大亟待解決問(wèn)題：如何解決紅光附近及近紅外區(qū)的無(wú)吸收問(wèn)題；染料敏化劑分子在吸光后的激發(fā)方式如何。本課題充分利用了量子化學(xué)的優(yōu)勢(shì),通過(guò)分子設(shè)計(jì),以三維富勒烯C36、C50及其橋連型C50富勒烯二聚物Clo1作為7π共軛結(jié)構(gòu),4-乙基-噻吩并[3,2]吲哚、N-對(duì)甲氧基苯基-環(huán)戊烷并[3,2]二氫吲哚、橋連三苯胺以及三苯胺等強(qiáng)給電子基團(tuán)為給電子基團(tuán),氰基丙烯酸為電子受體構(gòu)建了十多種D-π-A型染料敏化劑分子結(jié)構(gòu)。通過(guò)運(yùn)用Gaussian09程序中B3LYP方法在6-311g,**基組水平上對(duì)其幾何構(gòu)型進(jìn)行了全優(yōu)化。在優(yōu)化所得構(gòu)型基礎(chǔ)上,采用含時(shí)密度泛函中的TDB3LYP方法,在6-31+g*、cc-pvdz等基組水平上,結(jié)合使用PCM溶劑模型,模擬得到了各敏化劑分子在氣相和二氯甲烷溶液中的電子吸收光譜。 通過(guò)對(duì)構(gòu)型參數(shù)、分子軌道能級(jí)以及染料分子在氣相中的主要激發(fā)態(tài)起主要貢獻(xiàn)的分子軌道成分的分析,探尋了染料敏化劑分子中影響其光物理、光化學(xué)性質(zhì)的微結(jié)構(gòu)敏感部位,揭示了影響其光學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)規(guī)律。研究結(jié)果表明：三維富勒烯結(jié)構(gòu)的引入,特別是以N-對(duì)甲氧基苯基-環(huán)戊烷并[3,2]二氫吲哚為給電子基、以Clo1為π共軛結(jié)構(gòu)的敏化劑分子,可實(shí)現(xiàn)染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)各種輻射的良好吸收,激發(fā)方式為給電子基團(tuán)向中心共軛富勒烯結(jié)構(gòu)的電荷轉(zhuǎn)移,從而保證了染料敏化劑分子實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換,這必將為合成出具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池提供重要的理論依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：富勒烯 太陽(yáng)能電池 染料敏化劑 分子模擬 量子化學(xué)計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4;TQ610.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-18
• 1.1 太陽(yáng)能電池發(fā)展簡(jiǎn)介9
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)9-10
• 1.3 染料敏化劑10-16
• 1.3.1 金屬釕配合物染料敏化劑10-12
• 1.3.2 純有機(jī)染料敏化劑12-16
• 1.3.2.1 香豆素染料敏化劑12-13
• 1.3.2.2 吲哚類染料敏化劑13-14
• 1.3.2.3 三苯胺染料敏化劑14-15
• 1.3.2.4 咔唑類染料敏化劑15-16
• 1.3.2.5 N,N-二烷基染料敏化劑16
• 1.4 課題的提出16-18
• 第二章 理論計(jì)算方法18-26
• 2.1 理論基礎(chǔ)18-20
• 2.1.1 分子軌道理論18-19
• 2.1.2 躍遷理論19-20
• 2.1.3 光誘導(dǎo)條件下產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移與電子轉(zhuǎn)移20
• 2.2 密度泛函理論(DFT)20-24
• 2.2.1 Thomas-Fermi方法21
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn方程21-22
• 2.2.3 Kohn-Sham方程22-23
• 2.2.4 含時(shí)密度泛函理論23
• 2.2.5 電荷躍遷密度與電荷差異密度23-24
• 2.3 計(jì)算方法與基組的選擇24-26
• 第三章 以C_(36)中心共軛部分設(shè)計(jì)的四種染料分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)研究26-39
• 3.1 引言26-27
• 3.2 計(jì)算方法27
• 3.3 結(jié)果與分析27-38
• 3.3.1 四種染料敏化分子的幾何構(gòu)型27-29
• 3.3.2 基態(tài)性質(zhì)29-30
• 3.3.3 激發(fā)態(tài)性質(zhì)30-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 第四章 以C_(50)為中心共軛部分設(shè)計(jì)的染料分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)性能研究39-52
• 4.1 計(jì)算方法39-40
• 4.2 結(jié)果與分析40-50
• 4.2.1 四種染料敏化分子的幾何構(gòu)型40-41
• 4.2.2 基態(tài)性質(zhì)41-43
• 4.2.3 激發(fā)態(tài)性質(zhì)43-50
• 4.3 本章小結(jié)50-52
• 第五章 以C_(101)為中心共軛部分設(shè)計(jì)的染料分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)性能研究52-63
• 5.1 計(jì)算方法52-53
• 5.2 結(jié)果與分析53-62
• 5.2.1 四種染料敏化分子的幾何構(gòu)型53-55
• 5.2.2 基態(tài)性質(zhì)55-56
• 5.2.3 激發(fā)態(tài)性質(zhì)56-62
• 5.3 本章小結(jié)62-63
• 第六章 結(jié)論63-64
• 參考文獻(xiàn)64-72
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文72-73
• 致謝73

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