染料敏化太阳能电池中共敏化机理的理论研究

【摘要】：本文以C239、C259、C259-N这三种具有光谱互补性质的D-π-A型有机染料分子为基础，设计了一系列共敏化剂分子。利用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）研究了所设计的共敏化剂的光谱性质。 光谱互补原理是设计宽光谱吸收共敏化剂的重要依据之一。与单一敏化剂分子相比，具有互补光谱性质的共敏化剂的吸收光谱范围显著增大(300-800nm)并且在整个可见光范围内光捕获效率提高。但是共敏化剂在300-400nm范围内的激发不是一个有效的电荷转移过程，可能导致这一波长范围内的光电转换效率较低。与“a”结合方式的共敏化剂（C239+C259和C239+C259-N）相比，“b”结合方式共敏化剂（C239+C259和C239+C259-N）的吸收光谱范围及强度和光捕获能力都有所增高。但“b”结合方式共敏化剂的分子间相互作用能较低（C239+C259/C239+C259-N，-0.53/-0.49eV）主要因为两个染料分子之间只有两个氢键存在，从而阻碍了染料分子间的能量传输。而“a”结合方式的共敏化结构更有利于电荷从氰基丙烯酸注入到TiO2表面，有利于两个染料分子间的福斯特共振电荷转移（FRET）产生额外的光电流，因此“a”结合方式的共敏化有利于提高染料敏化太阳能电池的效率。 该研究有助于进一步理解共敏化剂在染料敏化太阳能电池中的作用原理，可为实验设计具有宽光谱吸收、提高染料敏化太阳能电池效率的共敏化剂提供理论依据。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 有机染料共敏化剂 吸收光谱
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 本课题的学术背景及其理论与实际意义9-11
• 1.2 国内外研究进展11-15
• 1.3 主要研究内容15-17
• 第2章 理论原理与计算方法17-27
• 2.1 理论计算方法基础17-25
• 2.1.1 量子化学计算17-18
• 2.1.2 从头计算方法(Ab initio Calculation)18-19
• 2.1.3 密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)19-22
• 2.1.4 前线轨道理论22-23
• 2.1.5 基组23-25
• 2.1.6 溶剂化效应校正的连续介质模型25
• 2.2 计算结果分析方法25-27
• 2.2.1 结构优化25-26
• 2.2.2 频率计算26
• 2.2.3 分子吸收光谱26-27
• 第3章 共敏化剂分子的理论设计及其性质研究27-42
• 3.1 引言27
• 3.2 理论与方法27-28
• 3.3 结果与讨论28-42
• 3.3.1 计算方法的选择28
• 3.3.2 单一染料敏化剂的选择28-29
• 3.3.3 单一染料敏化剂分子的前线分子轨道29-30
• 3.3.4 单一染料敏化剂分子的分子轨道能级30-31
• 3.3.5 单一染料敏化剂分子在 THF 溶剂中的吸收光谱31-32
• 3.3.6 单一染料敏化剂分子的第一电子激发态电子寿命32-33
• 3.3.7 共敏化剂染料分子的设计33-34
• 3.3.8 “a”型结合方式共敏化剂染料分子性质34-38
• 3.3.9 “b”型结合方式共敏化剂染料分子的性质38-40
• 3.3.10 “a”和“b”两种结合方式共敏化剂染料分子的性质比较40-42
• 结论42-43
• 参考文献43-50
• 读学位期间发表论文与研究成果50-51
• 致谢51

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