含有不同电子给体的Lindqvist型六钼酸盐有机—无机杂化染料分子光伏性能的理论研究

【摘要】：多金属氧酸盐（Polyoxometalates, POMs）简称多酸，是一类多核配合物，具有多样的分子结构和独特的物理及化学性质。近年来，随着密度泛函理论(density functional theory，DFT)和计算机技术的不断发展和更新，促使多酸化合物的理论研究备受关注。 染料敏化太阳能电池(DSSCs)具备制备简单，价格低廉和高效性的优点，在过去的十几年里赢得了人们的广泛重视。目前，关于DSSCs大部分研究是以n-型DSSCs为主，它的转化效率已经达到了11%左右。但是，这还远远低于其理论效率。因此，设计新型结构的DSSCs是提高转化效率的一种简单，可行的方法。发展p-型DSSCs的意义在于能够将其与n-型DSSCs结合，从而制备理论转化效率高达43%的pn-型DSSCs。 本文采用DFT方法对一系列不同有机基团取代的Lindqvist型多酸基有机-无机杂化染料分子应用于p-型DSSCs的光伏性质进行了计算研究。为进一步探讨多酸化合物在DSSCs方面的应用奠定了基础。本文研究工作主要包括以下三方面： (1)采用DFT和TDDFT方法研究了并二噻吩(TT)和3,4-乙烯基二氧噻吩(EDOT)取代的多阴离子的电子性质和光谱性质。计算结果表明，由于增加了π共轭链的长度和电子离域性，染料分子的吸收光谱在紫外-可见区域都有较强和较宽的吸收，而且，最大吸收波长都明显红移。含两个TT取代基的分子6的吸收光谱在可见光区域表现出有宽而强的吸收，有较大的光捕获效率(LHE)。因此，分子6在理论上能够获得较大的短路电流(Jsc)，进而提高电池的光电转换效率。 (2)采用DFT和TDDFT方法对不同给电子和吸电子基团取代的六钼酸盐染料分子的几何结构，电子结构和吸收光谱进行了研究。结果表明，引入给电子基团和吸电子基团对分子的吸收光谱有显著影响。分子1-6的最大吸收波长均红移，引入给电子基团的分子最大吸收波长比吸电子基团红移程度大，这是由于电子给体部分电子密度增加导致的。除分子3外，其他染料分子的Jsc主要取决于LHE的影响。用-CH3取代得到的分子1具有较大的LHE，驱动力以及最大吸收波长，因此，预测分子1可以获得较高的Jsc。 (3)采用DFT和TDDFT方法设计了四种由三芳胺和咔唑形成的不同给电子基团的六钼酸盐染料分子。分析了它们的几何结构，电子结构，吸收光谱以及光伏性质。结果表明，分子1-4由于增加了电子给体部分的电子密度，它们的吸收光谱在紫外-可见区域都有较强和较宽的吸收。具有D-D-π-A结构的分子4有最大的LHE，染料再生驱动力和电荷重组驱动力以及较大的空穴注入驱动力，是最适合用于p-型DSSC获得较高的Jsc的染料分子。 【关键词】：多酸化合物 太阳能电池 密度泛函理论 电子给体 吸收光谱
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O641;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 引言10-28
• 一、 多金属氧酸盐的发展概况和热点10-22
• （一） 多酸的实验研究11-18
• （二） 多酸的理论研究18-22
• 二、 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理22-24
• 三、 密度泛函理论24-26
• （一） Hohenberg-Kohn 定理24
• （二） Kohn-Sham 方程24-25
• （三） 交换相关泛函25-26
• 四、 本论文的选题意义及研究内容26-28
• （一） 选题意义26
• （二） 研究内容26-28
• 第二章 不同电子给体取代的有机胺六钼酸盐染料分子的理论设计28-37
• 一、 前言28-29
• 二、 计算方法29
• 三、 结果与讨论29-36
• （一） 理论背景29-30
• （二） 分子结构30-31
• （三） 电子结构31-32
• （四） 吸收光谱性质32-34
• （五） 影响 Jsc的因素34-36
• 四、 结论36-37
• 第三章 不同基团取代的 Lindqvist 型有机-无机杂化太阳能电池材料的理论设计37-44
• 一、 前言37-38
• 二、 计算方法38
• 三、 结果与讨论38-43
• （一） 分子结构38-39
• （二） 不同给电子和吸电子基团的影响39-42
• （三） 光伏性质42-43
• 四、 结论43-44
• 第四章 三芳胺衍生物修饰的有机胺六钼酸盐染料分子光伏性能的理论调控44-51
• 一、 前言44-45
• 二、 计算方法45
• 三、 结果与讨论45-50
• （一） 分子结构45-46
• （二） 前线分子轨道46
• （三） 吸收光谱46-48
• （四） 染料分子吸附在 NiO 后的性质48-49
• （五） 光伏性质49-50
• 四、 结论50-51
• 参考文献51-62
• 致谢62-63
• 在学期间公开发表论文及著作情况63

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