兩類新型太陽能電池材料的理論研究

【摘要】：隨著工業(yè)化程度的不斷提高,能源已經(jīng)成為人類發(fā)展進(jìn)程中一個(gè)很重要的因素,其產(chǎn)量也成為衡量一個(gè)國家工業(yè)和農(nóng)業(yè)水平的重要依據(jù)。技術(shù)和燃料決定了一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)富裕程度。據(jù)估算,在本世紀(jì)末下個(gè)世紀(jì)初,不可再生的常規(guī)能源石油、煤和天然氣將被消耗殆盡,因此能源危機(jī)的加劇迫使我們不得不去尋找新的替代能源,目前各國主要開發(fā)的新能源形式有三種：海洋能、核能、太陽能生物能風(fēng)能等等。核能在使用過程中存在一個(gè)很大的安全隱患就是核泄漏和廢棄物造成的核輻射,部分海洋能源比如潮汐能,雖然資源豐富無污染,但是其開發(fā)利用還存在著較大的難度。地球上所有生命的存在都依靠太陽,太陽能由于其來源豐富、無污染,因此在所有的新能源中,太陽能的利用開發(fā)已經(jīng)發(fā)展成為其中的主力軍,在下個(gè)世紀(jì),太陽能將成為能夠滿足我們能源需求的綠色能源的主力軍,因此對(duì)于太陽能的開發(fā)利用具有很重要的意義。在本文中,我們圍繞太陽能電池主題展開工作,并取得了一些研究成果,主要成果簡介如下： 1.有機(jī)太陽能電池中富勒烯衍生物的載流子傳輸 以聚己基噻吩(P3HT)作為供電子材料,[6,6]-苯C61丁酸甲酯([60]PCBM)作為電子受體材料的聚合物太陽能電池被廣泛應(yīng)用,是一種很有前景的太陽能電池。為了提高與P3HT的相容性,實(shí)驗(yàn)上合成了一種[60]PCBM的相似物：[6,6]-噻C61丁酸甲基酯?；谝幌盗械牧孔踊瘜W(xué)計(jì)算,我們研究了ThCBM與[60]PCBM的晶體結(jié)構(gòu)中的一些關(guān)于載流子傳輸?shù)男再|(zhì)。首先優(yōu)化了幾種富勒烯衍生物的分子結(jié)構(gòu),在優(yōu)化的基礎(chǔ)上計(jì)算它們的重組能、晶體結(jié)構(gòu)中的傳輸積分、能帶和紫外可見吸收光譜。結(jié)合Marcus半經(jīng)驗(yàn)公式估算了ThCBM的電子和空穴的載流子遷移率,ThCBM在a方向上的載流子遷移率的計(jì)算值是1.16cm2V-1s-1,這個(gè)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值(2±0.5cm2V-1s-1)艮接近,從而證明了我們采用的計(jì)算模型是可信的。[60]PCBM的空穴和電子的載流子遷移率的計(jì)算值分別是0.18cm2V-1s-1和1.49cm2V-1s-1,對(duì)于ThCBM與[60]PCBM晶體結(jié)構(gòu)中的所有傳輸路徑進(jìn)行了研究分析,結(jié)果顯示ThCBM也是一種很有潛力的受體材料。 2.太陽能染料敏化電池中鋅卟啉染料敏化劑的研究 自從1991年Gratzel和他的課題組提出染料敏化電池的概念后,實(shí)驗(yàn)上合成了許多染料敏化劑用于制造染料敏化太陽能電池,這些染料敏化劑的分子結(jié)構(gòu)一般都是有供電子和吸電子的單元組合而成的。為了得到較高效率的染料敏化電池,設(shè)計(jì)出具有較高的光吸收效率以及能夠使得電子在染料敏化劑以及Ti02電極之間較容易的轉(zhuǎn)移的燃料敏化劑時(shí)至關(guān)重要的。最近,有文章指出,在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)合成了像釕化合物那樣具有有效的光電性質(zhì)的卟啉類染料敏化劑,但是這些染料敏化劑最不理想的一點(diǎn)就是容易在溶劑中發(fā)生分子間的聚集,從而降低了材料的效率。為了解決這個(gè)問題,最近實(shí)驗(yàn)上合成了一系列的在卟啉環(huán)上加上較長烷氧基取代的苯基,烷氧基鏈的增長有效的降低了敏化劑分子在溶劑中的聚集?；谶@些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們選取較為典型的幾種鋅卟啉化合物,對(duì)于分子結(jié)構(gòu)以及電子性質(zhì)展開研究,確定設(shè)計(jì)新的染料敏化劑分子的方向,并設(shè)計(jì)了六種新的染料敏化劑分子進(jìn)行篩選,尋找更高效的染料敏化劑。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)半導(dǎo)體材料 太陽能電池 傳輸積分 染料敏化劑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 目錄5-7
• CONTENTS7-9
• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 緒論13-33
• 1.1 燃料與太陽能13
• 1.2 太陽能電池的種類13-16
• 1.3 選題背景和開展的主要工作16-18
• 1.4 理論計(jì)算方法簡介18-29
• 1.4.1 Schrodinger方程18-19
• 1.4.2 密度泛函理論(Density Functional Theory,DFT)19-21
• 1.4.3 B3LYP泛函21
• 1.4.4 電荷傳輸?shù)挠?jì)算背景21-24
• 1.4.5 傳輸積分和重組能的計(jì)算方法24-29
• 參考文獻(xiàn)29-33
• 第二章 有機(jī)太陽能電池中富勒烯衍生物的載流子傳輸33-52
• 2.1 研究背景33-34
• 2.2 計(jì)算背景跟方法34-36
• 2.2.1 重組能35-36
• 2.2.2 遷移積分和吸收光譜36
• 2.3 結(jié)果與討論36-47
• 2.3.1 前線分子軌道,電離能和重組能36-41
• 2.3.2 遷移積分和載流子遷移率41-46
• 2.3.3 紫外見吸收光譜46-47
• 2.4 結(jié)論47-49
• 參考文獻(xiàn)49-52
• 第三章 太陽能染料敏化電池中鋅卟啉染料敏化劑的研究52-66
• 3.1 研究背景52-53
• 3.2 計(jì)算細(xì)節(jié)53-54
• 3.3 結(jié)果與討論54-63
• 3.3.1 分子結(jié)構(gòu)54
• 3.3.2 軌道性質(zhì)54-61
• 3.3.3 吸收光譜61-63
• 3.4 結(jié)論63-64
• 參考文獻(xiàn)64-66
• 第四章 結(jié)論66-68
• 致謝68-69
• 碩士期間發(fā)表的論文69-70
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表70

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