染料敏化太陽能電池中釕基染料的計算機(jī)輔助設(shè)計和工藝研究

【摘要】：太陽能作為一種儲量豐富,清潔無污染的能源一直廣受關(guān)注。1991年瑞士科學(xué)家Graztel和O'Regan首次將Ti02納米晶多孔薄膜用于染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)中,大幅提高了此類電池的光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過20多年的發(fā)展,DSSCs憑借著低廉的制造成本、簡單的結(jié)構(gòu)和較高的光電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)點,逐漸成為傳統(tǒng)太陽能電池最有力的競爭者,被譽為為第三代太陽能電池。染料敏化劑是DSSCs中的核心成分之一,也是占成本比重較大的組分。目前使用最多的染料仍然是以釕為中心原子的聯(lián)吡啶類染料,包括N3,N719等,其中CYC-B11染料創(chuàng)造了高達(dá)11.5%的光電轉(zhuǎn)化效率的記錄。但是釕本身是一種貴金屬元素,并且核心配體4,4'-二甲酸-2,2'-聯(lián)吡啶制備成本昂貴,如何能夠設(shè)計出具有更高光電性能的釕基染料和低成本并且高效的合成出來是我們亟需解決的問題。 在本論文中,我們用理論分析和實驗合成的方法研究了新型染料的設(shè)計思路和釕基染料的合成工藝,主要工作包括以下三部分： 1、通過DFT和TDDFT的方法,選取不同烷基鏈長的釕基染料作為研究對象,理論的分析了染料結(jié)構(gòu)如何影響DSSCs光電轉(zhuǎn)換效率的兩個重要因素—短路電流(Jsc)和開路電壓(Voc)。通過計算光捕獲效率(LHE)和染料激發(fā)態(tài)電子注入到Ti02導(dǎo)帶的驅(qū)動力(△Ginject),來分析對短路電流的影響。通過引入一個簡單的TiO2吸附模型來模擬染料與TiO2之間的相互作用,并計算出了影響開路電壓的垂直偶極矩和激發(fā)態(tài)時Ti02上面的電荷轉(zhuǎn)移量。計算結(jié)果表明Jsc和Voc隨烷基鏈增長而增大(從1到13),而Voc在鏈長為13時開始下降。計算結(jié)果和實驗結(jié)果吻合,表明該種計算模型運用在理論分析釕基染料時是有效的。 2、利用上述驗證過的有效計算模型,我們據(jù)此設(shè)計出了新型的高效釕基染料。噻吩官能團(tuán)在釕基染料中有非常好的光電表現(xiàn),我們通過運用上述模型理論表征已經(jīng)合成出來的含各種噻吩基團(tuán)的釕基染料,基于實驗數(shù)據(jù)和理論分析這些官能團(tuán)對染料光電性能的影響。通過分析比較最終確定含有三個噻吩基團(tuán)的DyeA-1號染料具有較好的理論表現(xiàn),有望在實驗中有突出的光電性能表現(xiàn)。 3、提出了一種以廉價的工業(yè)原料2-氯異煙酸為原料,丙三醇/水混合溶液為溶劑,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鈀碳為催化劑,發(fā)生催化偶聯(lián)反應(yīng)的工藝路線,經(jīng)濟(jì)簡便的合成出了釕基染料的核心配體的4,4'-二甲酸-2,2'-聯(lián)吡啶。該工藝路線具有條件溫和,產(chǎn)率高,催化劑可回收再利用等優(yōu)點,有望實現(xiàn)工業(yè)化。該配體在避光,高溫和氮氣保護(hù)的條件下,與水合三氯化釕發(fā)生配合反應(yīng),然后再加入硫氰酸鉀取代氯基團(tuán),一鍋法合成出了N3染料。該工藝路線可以運用在具有相同結(jié)構(gòu)的釕基染料合成中。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 釕基染料 理論表征 分子設(shè)計 工藝研究
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ610.6;TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-39
• 1.1 太陽能及太陽能電池發(fā)展概述12-14
• 1.2 染料敏化太陽能及其發(fā)展現(xiàn)狀14-19
• 1.3 染料敏化劑19-29
• 1.3.1 染料敏化劑合成研究概述19-27
• 1.3.2 染料敏化劑理論研究概述27-29
• 1.4 基礎(chǔ)理論方法29-32
• 1.4.1 分子軌道理論29-30
• 1.4.2 密度泛函理論30-31
• 1.4.3 基組的選擇31-32
• 1.5 課題提出目的32-33
• 參考文獻(xiàn)33-39
• 第二章 釕基染料的理論分析39-57
• 2.1 理論背景39-41
• 2.2 研究方法41-42
• 2.3 結(jié)果與討論42-50
• 2.3.1 基態(tài)結(jié)構(gòu)性質(zhì)42-45
• 2.3.2 電子結(jié)構(gòu)和吸收光譜45-47
• 2.3.3 短路電流影響因素分析47-48
• 2.3.4 開路電壓影響因素分析48-50
• 2.4 本章小結(jié)50-52
• 參考文獻(xiàn)52-57
• 第三章 釕基染料的理論設(shè)計57-69
• 3.1 染料設(shè)計背景57-58
• 3.2 染料設(shè)計方法58-59
• 3.3 結(jié)果與討論59-63
• 3.3.1 噻吩類釕基染料的基態(tài)結(jié)構(gòu)性質(zhì)59-60
• 3.3.2 噻吩類釕基染料的電子結(jié)構(gòu)和吸收光譜60-62
• 3.3.3 噻吩類釕基染料短路電流和開路電壓影響因素分析62-63
• 3.4 新型染料設(shè)計63-66
• 3.4.1 新型釕基染料的基態(tài)結(jié)構(gòu)性質(zhì)64
• 3.4.2 新型釕基染料的電子結(jié)構(gòu)和吸收光譜64-65
• 3.4.3 新型釕基染料短路電流和開路電壓影響因素分析65-66
• 3.5 本章小結(jié)66-68
• 參考文獻(xiàn)68-69
• 第四章 釕基染料的合成工藝研究69-81
• 4.1 前言69-70
• 4.2 實驗試劑和儀器70-71
• 4.3 配體4,4'-二甲酸-2,2'-聯(lián)吡啶的合成及表征71-76
• 4.3.1 以4-甲基吡啶為原料反應(yīng)路線71-74
• 4.3.2 以2-氯異煙酸為原料反應(yīng)路線74-76
• 4.4 N3染料的合成與表征76-77
• 4.5 本章小結(jié)77-79
• 參考文獻(xiàn)79-81
• 第五章 總結(jié)與展望81-83
• 5.1 總結(jié)81
• 5.2 展望81-83
• 致謝83-84
• 碩士期間成果84

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