有机太阳能电池中光诱导电荷转移的理论研究

【摘要】：太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电装置。当今市场上最常见的是硅太阳能电池,它主要是以硅类材料作为活性材料的太阳能电池,分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等。虽然它们的光电转换效率可以达到24%左右,但是也有很多的不足,比如非常耗材,成本很高,以及工艺复杂等。有机太阳能电池的光电转换效率没有硅太阳能电池的高,但是它却有着硅太阳能电池不能代替的优点,比如原材料来源广泛,加工容易,最主要的是对环境的污染小,这些优点使有机太阳能电池逐渐成为重要的科学研究热点。不管是硅太阳能电池还是有机太阳能电池,光电转换效率的提高一直是科学家们不断追求的目标。本论文主要选取叶绿素a、类胡萝卜素、BT和PC61BM等有机分子作为有机太阳能电池的活性材料。基于量子力学的方法,重点研究该分子体系中的光诱导电荷转移和能量转移,电子和空穴相干性,以及激发态的属性。我们借助三维(3D)可视化技术将光诱导电荷转移过程可视化处理,进一步揭示处于激发态的光功能材料的电荷转移和能量转移机制。通过3D可视化技术,我们明确电荷转移的方向。借助Gauss View 5.0构建分子体系模型,采用密度泛函方法B3LYP泛函和6-31G(d)基组优化供体和受体基态的几何构型。所有的理论计算使用Gaussian 09软件。采用含时密度泛函方法计算有机分子体系的激发态,采用(TD-DFT),CAM-B3LYP函数和6-31G(d)基组,计算该分子体系的振子强度,垂直激发能等。基于Marcus理论和Marcus-Levich-Jortner’s理论,研究分子电荷转移的重组能和自由能,其中供体分子的正离子平衡结构和受体负离子平衡结构分子的优化采用密度泛函方法,B3LYP泛函和6-31G(d)基组。基于优化的负电荷/中性,中性/带电的受体能量,在同一水平理论采用单点能计算。 【关键词】：激发态 电荷转移 光电转化效率 密度泛函方法(DFT)
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第1章 绪论12-16
• 1.1 引言12
• 1.2 太阳能电池12-13
• 1.3 有机太阳能电池13-16
• 1.3.1 有机太阳能电池的发展现状13-14
• 1.3.2 有机太阳能电池的基本结构及原理14-16
• 第2章 基本理论方法16-31
• 2.1 分子轨道理论16-18
• 2.1.1 Hartree-Fock-Roothaan方程16-18
• 2.2 密度泛函理论18-20
• 2.3 电子激发态理论20-28
• 2.3.1 电子跃迁20-22
• 2.3.2 跃迁选择定则22-24
• 2.3.3 光诱导分子内的电子转移24-28
• 2.4 二维、三维实空间分析方法28-31
• 2.4.1 二维（2D）实空间分析方法28-29
• 2.4.2 三维（3D）实空间分析方法29-31
• 第3章 类胡萝卜素-叶绿素a-TiO2生物敏化太阳能电池31-47
• 3.1 引言31-32
• 3.2 计算方法32-33
• 3.3 结果与讨论33-46
• 3.3.1 单体叶绿素a和类胡萝卜素激发态特性33-40
• 3.3.2 类胡萝卜素、叶绿素a和TiO2激发态的性质40-46
• 3.4 小结46-47
• 第4章 基于Marcus模型，有机太阳能电池中光诱导电荷转移的研究47-59
• 4.1 引言47-48
• 4.2 计算方法48-50
• 4.2.1 速率计算48-49
• 4.2.2 量子化学计算49-50
• 4.3 结果和讨论50-58
• 4.3.1 激发态特性50-55
• 4.3.2 电子耦合55-56
• 4.3.3 激子分离和电荷重组的速率56-58
• 4.4 小结58-59
• 第5章 BHJ太阳能电池材料中振动弛豫的光诱导电荷转移59-69
• 5.1 引言59-60
• 5.2 计算模型和方法60
• 5.3 结果与讨论60-67
• 5.3.1 电荷转移模型60-62
• 5.3.2 电荷转移速率62
• 5.3.3 内部重组能62-64
• 5.3.4 吉布斯自由能64-65
• 5.3.5 电子耦合矩阵元65-66
• 5.3.6 电荷重组和激子分离速率66-67
• 5.4 小结67-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-79
• 硕士期间发表的论文及参与的科研项目79-80

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