两类新型太阳能电池材料的理论研究

【摘要】：随着工业化程度的不断提高,能源已经成为人类发展进程中一个很重要的因素,其产量也成为衡量一个国家工业和农业水平的重要依据。技术和燃料决定了一个国家的经济富裕程度。据估算,在本世纪末下个世纪初,不可再生的常规能源石油、煤和天然气将被消耗殆尽,因此能源危机的加剧迫使我们不得不去寻找新的替代能源,目前各国主要开发的新能源形式有三种：海洋能、核能、太阳能生物能风能等等。核能在使用过程中存在一个很大的安全隐患就是核泄漏和废弃物造成的核辐射,部分海洋能源比如潮汐能,虽然资源丰富无污染,但是其开发利用还存在着较大的难度。地球上所有生命的存在都依靠太阳,太阳能由于其来源丰富、无污染,因此在所有的新能源中,太阳能的利用开发已经发展成为其中的主力军,在下个世纪,太阳能将成为能够满足我们能源需求的绿色能源的主力军,因此对于太阳能的开发利用具有很重要的意义。在本文中,我们围绕太阳能电池主题展开工作,并取得了一些研究成果,主要成果简介如下： 1.有机太阳能电池中富勒烯衍生物的载流子传输 以聚己基噻吩(P3HT)作为供电子材料,[6,6]-苯C61丁酸甲酯([60]PCBM)作为电子受体材料的聚合物太阳能电池被广泛应用,是一种很有前景的太阳能电池。为了提高与P3HT的相容性,实验上合成了一种[60]PCBM的相似物：[6,6]-噻C61丁酸甲基酯。基于一系列的量子化学计算,我们研究了ThCBM与[60]PCBM的晶体结构中的一些关于载流子传输的性质。首先优化了几种富勒烯衍生物的分子结构,在优化的基础上计算它们的重组能、晶体结构中的传输积分、能带和紫外可见吸收光谱。结合Marcus半经验公式估算了ThCBM的电子和空穴的载流子迁移率,ThCBM在a方向上的载流子迁移率的计算值是1.16cm2V-1s-1,这个计算结果与实验值(2±0.5cm2V-1s-1)艮接近,从而证明了我们采用的计算模型是可信的。[60]PCBM的空穴和电子的载流子迁移率的计算值分别是0.18cm2V-1s-1和1.49cm2V-1s-1,对于ThCBM与[60]PCBM晶体结构中的所有传输路径进行了研究分析,结果显示ThCBM也是一种很有潜力的受体材料。 2.太阳能染料敏化电池中锌卟啉染料敏化剂的研究 自从1991年Gratzel和他的课题组提出染料敏化电池的概念后,实验上合成了许多染料敏化剂用于制造染料敏化太阳能电池,这些染料敏化剂的分子结构一般都是有供电子和吸电子的单元组合而成的。为了得到较高效率的染料敏化电池,设计出具有较高的光吸收效率以及能够使得电子在染料敏化剂以及Ti02电极之间较容易的转移的燃料敏化剂时至关重要的。最近,有文章指出,在实验上已经合成了像钌化合物那样具有有效的光电性质的卟啉类染料敏化剂,但是这些染料敏化剂最不理想的一点就是容易在溶剂中发生分子间的聚集,从而降低了材料的效率。为了解决这个问题,最近实验上合成了一系列的在卟啉环上加上较长烷氧基取代的苯基,烷氧基链的增长有效的降低了敏化剂分子在溶剂中的聚集。基于这些实验结果,我们选取较为典型的几种锌卟啉化合物,对于分子结构以及电子性质展开研究,确定设计新的染料敏化剂分子的方向,并设计了六种新的染料敏化剂分子进行筛选,寻找更高效的染料敏化剂。 【关键词】：有机半导体材料 太阳能电池 传输积分 染料敏化剂
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 目录5-7
• CONTENTS7-9
• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 燃料与太阳能13
• 1.2 太阳能电池的种类13-16
• 1.3 选题背景和开展的主要工作16-18
• 1.4 理论计算方法简介18-29
• 1.4.1 Schrodinger方程18-19
• 1.4.2 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)19-21
• 1.4.3 B3LYP泛函21
• 1.4.4 电荷传输的计算背景21-24
• 1.4.5 传输积分和重组能的计算方法24-29
• 参考文献29-33
• 第二章 有机太阳能电池中富勒烯衍生物的载流子传输33-52
• 2.1 研究背景33-34
• 2.2 计算背景跟方法34-36
• 2.2.1 重组能35-36
• 2.2.2 迁移积分和吸收光谱36
• 2.3 结果与讨论36-47
• 2.3.1 前线分子轨道,电离能和重组能36-41
• 2.3.2 迁移积分和载流子迁移率41-46
• 2.3.3 紫外见吸收光谱46-47
• 2.4 结论47-49
• 参考文献49-52
• 第三章 太阳能染料敏化电池中锌卟啉染料敏化剂的研究52-66
• 3.1 研究背景52-53
• 3.2 计算细节53-54
• 3.3 结果与讨论54-63
• 3.3.1 分子结构54
• 3.3.2 轨道性质54-61
• 3.3.3 吸收光谱61-63
• 3.4 结论63-64
• 参考文献64-66
• 第四章 结论66-68
• 致谢68-69
• 硕士期间发表的论文69-70
• 学位论文评阅及答辩情况表70

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