染料敏化太阳能电池中新型三联吡啶类钌配合物染料的理论研究与设计

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为一种十分具有发展前景的新型太阳能转化设备,拥有柔韧性高,制作成本低廉,对环境污染较小以及较高的转化效率等其他太阳能电池无法相比的优势,吸引了众多的关注和研究。但由于多种因素的限制,DSSCs的光电转换效率仍然低于传统的硅基太阳能电池,这在一定程度上限制了它的大规模市场化应用。DSSCs由多种组分构成,其中染料分子是DSSCs的核心部分,不同结构性质的染料分子会对DSSCs的转换效率造成不同程度的影响。在众多种类的染料分子中,钌系-多联吡啶类染料一直表现出较为优良的光伏特性,由其组成的DSSCs转化效率也较高。但钌系染料却由于在近红外区的光吸收强度较低,限制了其效率的进一步提高。为攻克这一难关,仅仅依靠实验上进行设计与优化合成染料分子,显然需要浪费极大的人力物力。而通过量子化学计算的方法设计并预测具有更高效率的染料分子,能够节省实验上所花费的时间物力,并有助于深入理解电池工作机理。本论文设计研究了钌系-三联吡啶类新型染料分子,并通过密度泛函理论(DFT)及含时密度泛函理论(TDDFT)方法,对影响电池开路电压以及短路电流的多个主要因素进行了系统性的讨论,从而为实验合成高效率钌系染料分子提供理论性的指导帮助。主要研究工作包括以下两部分:(1)为了克服传统的钌系染料在近红外区域金属-配体电荷转移带较低的摩尔消光系数(ε)这一缺点,我们在实验合成的HIS-2分子基础上,设计并探究了两个新型的钌系染料,HIS-2a和HIS-2b。通过理论计算,系统性的研究了影响短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)的关键因素,诸如导带边位移,电子结构,光吸收效率,电子注入驱动力,电子耦合等。计算结果表明,HIS-2a与HIS-2和HIS-2b分子相比,近红外区的吸收光谱更为红移,跃迁强度也有所增强,从而能够产生更大的Jsc。同时,HIS-2a分子的导带边位移与另两个分子相比并无太大变化,并不会影响到Voc。因此我们可以推测HIS-2a是潜在的高性能染料分子。(2)基于实验合成的磷化氢配体的钌系染料DX1,设计了一系列钌系染料DX2-DX5,目的是增强近红外区域的光吸收能力,进而提高短路电流密度(Jsc)。采用DFT和TDDFT计算讨论了染料分子的光学和光伏性质,并考虑的旋轨耦合(SOC)效应的影响。通过研究染料分子的光吸收效率,电子注入驱动力,染料再生驱动力,电子耦合以及导带边位移等因素,讨论了引起Jsc和开路电压(Voc)变化的主要原因。计算结果表明,DX5分子在近红外区的光吸收效率和导带边位移与其他染料分子相比有了较大提高,进而提升Jsc和Voc值。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 密度泛函理论 钌(II)三联吡啶染料分子 光吸收效率 导带边位移
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O641.4;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• 英文摘要5-9
• 第一章 引言9-23
• 1.1 太阳能与太阳能电池概述9-10
• 1.1.1 太阳能概述9
• 1.1.2 太阳能电池概述9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池概述10-13
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构和工作机理10-11
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的性能表征参数11-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池中的光敏染料13-18
• 1.3.1 金属钌类配合物染料14-16
• 1.3.2 有机染料16-18
• 1.3.3 卟啉类和酞菁类染料18
• 1.4 染料敏化太阳能电池的理论研究进展18-21
• 1.4.1 单体染料的理论研究19
• 1.4.2 二氧化钛-染料相互作用的理论研究19-21
• 1.5 密度泛函方法概述21-22
• 1.6 本文选题意义和研究内容22-23
• 1.6.1 选题意义22
• 1.6.2 研究内容22-23
• 第二章 理论研究和设计染料敏化太阳能电池中高性能表现的钌(II)Π-扩展三联吡啶染料23-34
• 2.1 前言23-24
• 2.2 理论背景和计算细节24-26
• 2.2.1 理论背景24-25
• 2.2.2 计算细节25-26
• 2.3 结果与讨论26-33
• 2.3.1 影响Voc的因子26-28
• 2.3.2 影响Jsc的因子28-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 染料敏化太阳能电池中高效率钌系染料的理论探究和设计：DFT和相对性TDDFT计算34-44
• 3.1 前言34-35
• 3.2 计算方法35-36
• 3.3 结果与讨论36-42
• 3.3.1 探究影响Jsc的因素36-41
• 3.3.2 探究影响Voc的因素41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 结语44-45
• 参考文献45-54
• 致谢54-55
• 在学期间公开发表论文及著作情况55

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