染料敏化太阳能电池中有机敏化剂的分子模拟与设计表征

【摘要】：随着量子化学计算方法和高性能计算平台的发展，利用计算机辅助材料分子的设计与性能表征，在计算机水平上完成虚拟的实验合成已成为可能。近二十年来由于能源危机已迫使实验研究者寻找可再生和清洁能源，而太阳能由于它的无限性以及其环境友好性已经成为了光电领域中研究的焦点。世界各国实验研究者们已经为了充分利用太阳能而合成出了各种类型的有机光敏染料，但是大部分所合成的染料不能得到令人满意的效率。而一些低效率的染料在实验中并不能得到合理的解释。因此借助量子计算化学方法对实验结果进行深入的分析以及探讨成为了必要，根据量子化学理论、密度泛函理论（DFT）、含时密度泛函理论（TD-DFT）、自然键轨道分析（NBO）、激发态理论，对所研究的体系选择适当的基组，通过构型优化得到体系的稳定构型，并在此稳定构型的基础上模拟表征体系的紫外-可见吸收光光谱、红外光谱、基态以及激发态的电荷布居分布和重组能等，从结构化学的角度得到体系的相关信息。利用这些数据，进行性能分析，并在合理归纳出的结果上进行新的体系结构设计与表征，为进一步的实验研究提供了理论依据。 全文共分为五个部分。 第一部分为引言，综述了染料敏化太阳能电池的研究背景、研究进展和染料敏化太阳能电池光敏剂的分类。 第二部分介绍了相关的量子化学理论和计算方法，为本文的研究提供了可靠的理论基础。 第三部分包括了D-A-π-A和D-π-A构型的吲哚染料在电子结构、吸收光谱性能的理论研究，根据Wang和Tian等人在实验中合成出的系列吲哚染料LS-1、WS-1、WS-2、WS-5、WS-6和WS-8，对该系列染料进行了构型的优化，并在此基础上模拟了该系列染料吸附于半导体二氧化钛前后的紫外-可见吸收光谱、吸附于半导体二氧化钛前后的前线分子轨道的能级变化、染料在光激发前后的NBO电荷密度变化、染料激发态电子的注入驱动力、染料分子的内重组能，并在以上所得的数据之上分析了与短路电流密度Jsc大小的关系、与开环电压Voc大小的关系，从理论观点解释染料的电子结构（D-A-π-A和D-π-A构型）与DSSCs的光伏性能之间的关系。最后根据已合成的染料WS-1、WS-2和WS-8设计了新的染料（D-π-A-A构型），验证了D-A-π-A电子构型的吲哚染料为更优的分子构型，为后续实验合成提供一定理论依据。 第四部分主要包含了以D-A-π-A为构型的染料WS-9的进一步的结构修饰，根据Tian等人合成的吲哚染料WS-9，独立设计了六个系列吲哚染料（DT、DQ、SDT、SDQ、CDT和CDQ系列），并对WS-9以及设计的染料的紫外-可见吸收光谱、跃迁偶极矩、分子内重组能、电荷注入速率趋势、电荷损失速率趋势几方面性能进行了表征与预测，快速筛选出了比WS-9性能高的新染料CDQ-A1，为后续实验改进提供一定理论依据。 第五部分主要为电池中染料二聚体以及电解质中不同分子二聚体对电池性能的影响，以目前文献报道中基于I-/I- 3为电解质，三苯胺染料C219敏化的太阳能电池为根据，计算了染料C219二聚体的相互作用、去氧胆酸CDCA二聚体的相互作用和染料C219与去氧胆酸CDCA的相互作用对器件效率可能产生的影响。本部分工作为进一步染料修饰和电解质中物质的修饰提供一定理论基础。 以上工作采用密度泛函理论和含时密度泛函理论对染料体系进行电子结构上的探索，希望本论文的研究结果能为我们未来设计和开发新颖高效的有机光敏剂提供理论支持与指导。 【关键词】：紫外-可见吸收光性能 电荷注入和复合速率 染料与碘的弱相互作用 电荷传输内重组能 跃迁偶极矩
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O621.13
【目录】：

• 西北师范大学研究生学位论文作者信息5-8
• 中文摘要8-10
• Abstract10-12
• 1 引言12-17
• 1.1 研究背景简介12-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池的发展及其结构和工作原理13-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池中光敏剂的分类14-15
• 1.4 本文的主要工作15-17
• 2 量子化学的基础理论和计算方法17-26
• 2.1 分子轨道理论17-18
• 2.2 密度泛函理论（DFT）18-21
• 2.3 光诱导电荷分离的理论基础21-22
• 2.4 分子振-转动光谱理论22-23
• 2.4.1 发光原理22-23
• 2.4.1.1 单重和三重激发态22-23
• 2.4.1.2 荧光和磷光23
• 2.5 自然键轨道理论(NBO)23-24
• 2.6 溶剂化效应24-26
• 3 D-A-π-A 和 D-π-A 构型的吲哚染料的电子结构、吸收光谱性质的理论研究26-46
• 3.1 引言26-28
• 3.2 理论背景与计算方法28-30
• 3.2.1 理论背景28-29
• 3.2.2 计算方法29-30
• 3.3 结果与讨论30-45
• 3.3.1 D-A-π-A 和 D-π-A 染料在基态时的构型研究30-31
• 3.3.2 基态与第一激发单重态间的电荷密度差和分子的前线轨道能31-33
• 3.3.3 单分子染料光激发前后的 NBO 电荷布居分析33-35
• 3.3.4 染料吸附在二氧化钛前后的紫外-可见吸收光谱的模拟35-36
• 3.3.5 染料的电子结构与 DSSCs 的光伏性能之间的关系36-42
• 3.3.5.1 影响 Jsc的因素36-39
• 3.3.5.2 影响 Voc的因素39-42
• 3.3.6 验证42-45
• 3.4 总结45-46
• 4 以 D-A-π-A 为构型的染料 WS-9 的进一步结构修饰和性能预测46-75
• 4.1 引言46-47
• 4.2 理论背景与计算方法47-49
• 4.2.1 理论背景47-48
• 4.2.2 计算方法48-49
• 4.3 结果与讨论49-73
• 4.3.1 本工作中的设计分子的准则49-51
• 4.3.2 染料的紫外-可见吸收光谱51-61
• 4.3.2.1 DT 系列染料52-54
• 4.3.2.2 DQ 系列染料54-57
• 4.3.2.3 SDT 系列染料57-58
• 4.3.2.4 SDQ 系列染料58-59
• 4.3.2.5 CDT 系列染料59
• 4.3.2.6 CDQ 系列染料59-61
• 4.3.3 电荷注入速率趋势的估算61-62
• 4.3.4 电荷损失速率趋势的估算62-65
• 4.3.5 偶极矩的计算65-67
• 4.3.6 从设计的系列染料中快速筛选和表征高效潜能敏化剂67-73
• 4.3.6.1 吸附体系的紫外-可见吸收光谱67
• 4.3.6.2 与 Voc值相关因素的分析67-73
• 4.4 总结73-75
• 5 电池中染料二聚体以及电解质中不同分子二聚体对电池性能的影响75-82
• 5.1 引言75
• 5.2 计算方法75
• 5.3 结果与讨论75-81
• 5.3.1 染料 C219 单体和二聚体的结构及其各体系的吸收光谱75-77
• 5.3.2 共吸附剂去氧胆酸 CDCA 单体和二聚体的结构及其各体系的吸收光谱77-79
• 5.3.3 染料 C219 和溶剂分子的复合物结构及其各体系的吸收光谱79-81
• 5.4 总结81-82
• 中外文参考文献82-91
• 攻硕期间发表的科研成果目录91-92
• 致谢92

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

二邻苯二胺合镍(Ⅱ)载流子传输性能的理论研究    汤肖丹;高洪泽;耿允;廖奕;苏忠民;

不同桥联二噻吩低带隙给受体共聚物的电子结构和光物理性质的理论研究    段雨爱;耿允;李海斌;杨国春;吴水星;郝立柱;廖奕;苏忠民;

染料敏化太阳能电池中具有不同电子给体的吩噻嗪类有机光敏染料的理论研究    张吉;李海斌;吴勇;耿允;段雨爱;廖奕;苏忠民;

染料敏化太阳能电池及TiO_2薄膜材料研究进展    李丽;张贵友;陈人杰;陈实;吴锋;

太阳能电池及关键材料的研究进展    李丽;张贵友;陈人杰;陈实;吴锋;

染料敏化太阳能电池的非金属有机敏化剂    谢艳;韩亮;陈庆峰;邱文彬;高建荣;

染料敏化太阳电池研究进展    孔凡太;戴松元;

染料敏化纳米晶太阳能电池    杨术明,李富友,黄春辉

纳米TiO_2的光催化原理及其应用    任成军,李大成,周大利,刘恒,钟本和

TiO_2纳米管薄膜的制备及其光电性能研究    王立新;郑言贞;陶霞;陈建峰;

非金属纯有机染料的设计规律和展望    杨秀云;周杰;王宇鹏;高秀霞;

染料敏化太阳电池的染料敏化剂的研究进展    秦国旭;袁希梅;李祥飞;

纳米TiO_2的修饰改性    李大成,周大利,任成军,刘恒,张萍,张云,龚家竹

纳米TiO_2多孔膜的微结构对染料敏化纳米晶太阳能电池性能的影响    王华;王智;钱觉时;唐笑;朱小红;

柔性染料敏化太阳能电池研究进展    王岳;吴季怀;范乐庆;兰章;肖尧明;李清华;黄妙良;

光敏染料用于太阳能电池的研究    周娴;潘华锦;

染料敏化太阳能电池的研究进展    梅翠玉;王小平;王丽军;刘欣欣;李怀辉;梁鹏飞;卢炎聪;

染料敏化太阳能电池天然敏化剂的研究进展    杨桂军;林红;王刚;张永昌;刘忆翥;陈慧媛;南辉;

复配无机光吸附层的垂直排列的氧化物纳米阵列太阳能电池研究进展    季书林;叶长辉;张立德;

二氧化钛纳米晶染料敏化太阳电池的最新研究进展    苗青青;马廷丽;

纳米结构材料在环境和能源方面的应用    黎维彬;刘瑞芳;

基于多酸设计新型的有机无机杂化材料并用密度泛函理论预测其电子吸收光谱    王静;丛莎;温世正;颜力楷;苏忠民;

含咔唑和三芳胺的聚甲亚胺的制备及电致变色、酸致变色和光电性能研究    马晓川;温海林;牛海军;

以苯并噻二唑为核、咔唑为端基的枝化共轭分子的合成与性质研究    彭江;薛鹏冲;卢然;

溶胶-粉末复合法制备染料敏化太阳能电池电极材料的研究    侯琴;王晓芳;朱立群;李卫平;刘慧丛;

溶胶-凝胶及粉末法制备染料敏化太阳能电池电极材料的研究    王晓芳;侯琴;李卫平;刘慧丛;朱立群;

磁控溅射法制备TiN/TiO_2周期薄膜及其微观结构    胡云龙;刘莹;

一类光电功能材料中的电子过程和化学修饰    苏忠民;

LED用多晶化合物的微结构调控及物性研究    马淑芳

FeS_2及FeS_2/TiO_2复合薄膜的制备与光电性能研究    黄六一

一维钛基纳米材料的合成、改性及光催化性能研究    宋亮

基于噻吩类和萘类材料的电荷传输性能的理论研究    耿允

理论研究—染料敏化太阳能电池体系光谱性质以及高效吸收染料分子的设计    陈杰

离子层气相反应法（ILGAR）制备硫属半导体薄膜的研究    邱继军

ZnO薄膜的光电性质研究    段理

低温液相法制备三元硫属半导体薄膜的研究    石勇

ZnO：Al透明导电薄膜与ZnO器件的制备及性质的研究    孙彦峰

多联吡啶衍生物的电荷及电子转移的强化研究    徐勇前

中孔二氧化钛光催化剂的制备及其在有机废水处理中的应用    王友强

两种含联吡啶配体单体的合成及其聚合反应尝试    杜昆鹏

D-π-A结构的超支化聚合物和线型双给体有机染料的合成及光伏性能研究    唐宇华

三苯胺类染料分子的设计合成及其光伏性能研究    张璐

硅纳米晶体的合成及其在太阳电池中的应用    李庆

纳米氧化钛粉的控制制备及染料敏化太阳能电池的研究    徐敏

TiO_2-ZnO复合型染料敏化太阳能薄膜电池的研究    刘茜

过渡金属掺杂TiO_2制备工艺、结构及磁特性研究    张海峰

ZnO阵列薄膜的制备及其性能研究    刘静

端基对低聚噻吩/苯并噻吩类化合物电子结构及传输性能的影响    杜松松

太阳电池用多晶硅材料的现状和发展    杨德仁;

关于贯彻《可再生能源法》促进光伏产业发展的战略思考    解晓南;

薄膜太阳能电池的发展动态    刘玉萍;陈枫;郭爱波;李斌;但敏;刘明海;胡希伟;

纳米TiO_2薄膜的制备方法对NPC太阳电池性能的影响    罗欣莲,万发荣,龙毅,周海鹰,叶亚平

非晶硅太阳能电池研究现状    吴建荣,杜丕一,韩高荣,寿瑾晖,张溪文,朱懿

太阳能电池及材料研究    梁宗存,沈辉,李戬洪

染料敏化太阳能电池中的光电极制备技术    唐笑;钱觉时;黄佳木;

薄膜太阳能电池    徐慢;夏冬林;杨晟;赵修建;

染料敏化太阳能电池阳极改性技术研究进展    于仙仙;胡志强;高岩;王一;李国;

太阳能光伏电池综述    成志秀;王晓丽;

太阳能电池用多晶硅薄膜的制备研究    张宇翔

太阳能电池用多层膜的制备和研究    董晓刚

染料敏化纳米晶TiO_2多孔膜电极的制备及其性能研究    刘春平

染料敏化太阳能电池石墨对电极和电解质研究    姜奇伟

染料敏化太阳能电池中聚合物凝胶电解质及TiO_2有序膜的研究    杨宏训

金属及其简单化合物的能带结构和总能量的计算    李义兵

HTPB与TDI固化的分子模拟研究    李红霞;强洪夫;武文明;

二恶英物质的结构性质分析    李欣,王郁萍

Linux环境下的高性能分子模拟计算集群平台的构建    杨潞霞;宁淑丽;付一政;

舰船空气净化材料吸附CO_2的分子模拟研究    李跃华;徐筱欣;

离子—偶极混合物的MC分子模拟研究    张伟平,李以圭,杨林昱,李总成

键合剂对HTPB与Al/Al_2O_3之间界面作用的分子模拟    焦东明;杨月诚;强洪夫;武文明;

分子模拟蛋白质在氧化锌界面上的吸附    韩振为;周薇;

丁羟推进剂黏结体系中增塑剂迁移的分子模拟    李红霞;强洪夫;武文明;

联苯酯侧基聚酰亚胺结构和性能关系的分子模拟    潘睿,刘习奎,顾宜

金属离子离子影响Aβ多肽聚集机理的分子模拟    焦勇;韩大雄;杨频;

分子模拟与新药虚拟评价    徐为人;汤立达;符海霞;刘冰妮;刘鹏;

纤维素/二氧化硅复合材料的分子模拟    莫尊理;乔丽君;陈红;郭瑞斌;孙亚玲;

聚丙烯酰胺交联反应的分子模拟    高品;黄光速;张艳芳;王建;陈猛猛;

蒙特卡罗分子模拟的物理背景探讨    胡文兵;

水和盐分子在反渗透膜内扩散过程的分子模拟    刘清芝;杨登峰;胡仰栋;

受限条件下流体的分子模拟    陆小华;

力场参数的数据库整合    李丰;杨春炜;孙淮;

离子液体-乙腈混合物的分子模拟    刘志平;吴晓萍;汪文川;黄世萍;

分子模拟于ZSM-5的应用进展    赵秦峰;王大喜;高金森;徐春明;

石科院分子模拟研究掀新页    石克轩

分子模拟的普及和应用    蒋华良 中国科学院上海药物研究所研究员

分子模拟在药物代谢和血浆蛋白结合中的应用    洪燕君

分子模拟在生命有机磷化学中的应用    孙命

金属—有机骨架材料中流体吸附性质的量化计算与分子模拟研究    王三跃

金、铂、铜单晶面上自组装单层膜的ECSTM与分子模拟研究    刘光增

金属—有机骨架材料中流体吸附与扩散的分子模拟研究    薛春瑜

人类苦味受体的分子模拟研究    戴伟民

分子模拟研究老年痴呆致病蛋白结构以及基于酶结构的药物设计    韩大雄

气体在多孔有机框架材料中的吸附、扩散与分离的分子模拟研究    杨占雷

模型流体过量性质的分子模拟与活度系数模型    贾纯山

金属—有机骨架材料的吸附与膜分离机理研究    刘德飞

丁二酰亚胺无灰分散剂作用机理的分子模拟研究    牟晓辉

金属—有机骨架材料中气体吸附与分离的分子模拟研究    穆韡

计算机分子模拟中并行计算的研究    王莹

吸附与扩散过程的分子模拟    张伟涛

流体在碳材料中吸附分离的实验及分子模拟    张翔

流体汽液相平衡的分子模拟研究    肖勇

分子模拟在界面相互作用计算中的应用    任华

分子模拟分析醇水在MFI沸石膜中渗透时的吸附与扩散现象    杨金枝

金属—有机骨架UMCM材料中吸附分离的分子模拟研究    成璇

水和二氧化碳体系的分子模拟研究    张新波