几种新型染料敏化剂的理论设计及其对DSSCs性能影响的探究

摘要

本文首先研究的是非金属类染料敏化剂。通过改变D-A-π-A型染料敏化剂中辅助受体——苯并噻二唑（BDT）的位置设计了一系列的新型二氢吲哚染料，并采用密度泛函理论及含时密度泛函理论详细研究了它们的性质。为了确定出辅助受体在D-A-π-A型染料分子的哪个位置上对光电转换效率最为有利，我们对比分析了新设计的分子与其母本分子的电子结构，光诱导转移特征，激发态寿命，吸收光谱性质，电子注入驱动力，垂直偶极距以及自然轨道电荷分析。计算结果表明，辅助受体处于和锚固基团直接相连的位置时更有利于提高染料敏化太阳能的性能。前面的研究主要集中在非金属染料敏化剂方面，接下来的工作我们主要研究含金属的染料敏化剂。以锌卟啉敏化剂分子为例，我们通过在受体部分引入不同杂环设计了一系列具有不同强度受体的新型锌卟啉敏化剂分子。理论结果表明，引入杂环的吸电子能力越强，则结构变化后的电子受体越强，并研究了不同强度的受体与光电转换效率的之间的关系。此外，在三苯胺类染料敏化剂的基础上，我们通过在供体和π桥之间设计刚性结构并进一步扩大整个染料分子的共轭程度来探究这种结构的变化对染料敏化太阳能电池性能的影响。我们希望可以为设计新型高效的敏化剂分子提供理论指导和依据。
　　第一部分、关于D-A-π-A型染料分子中辅助受体的位置对染料敏化太阳能电池影响的研究
　　通过阅读大量实验文献，我们发现很多研究者在研究新型的D-A-π-A型染料分子。从中我们发现D-A-π-A型染料分子中的辅助受体有三种可能的位置：（1）供体和π-桥之间（2）π-桥的中间（3）π-桥和锚固基团之间。为了研究D-A-π-A型染料分子中的辅助受体的位置对染料敏化太阳能电池性能的影响，我们通过改变母本分子中辅助受体的位置设计了一系列分子，并对比了一系列影响染料敏化太阳能电池性质的参数。计算结果表明：当辅助受体处于π-桥和锚固基团之间时，敏化剂分子在电荷转移效率，激发态寿命，光谱吸收，垂直偶极矩等方面均优于辅助受体在其他位置时的敏化剂分子。这些参数优异的表现有利于得到高的开路电压和较高的短路电流。当辅助受体处于π-桥的中间时，敏化剂分子表现出比母本分子还小的垂直偶极矩和较小的由光诱导产生的从染料分子转移到半导体的电子数目。这可能会不利于染料敏化太阳能电池性能的提升。我们希望本文的研究结果可以为进一步的分子设计提供可信的理论指导。
　　第二部分、关于YD2-o-C8-based的衍生物的理论设计以及对影响其光电转换效率因素的探究
　　染料敏化太阳能电池（DSSCs）以其环境友好，易于制造和生产成本低等优点成为了能源领域的热点之一，然而到目前为止非金属的有机染料敏化太阳能电池的能量转换效率（η）仍然很低。而金属钌的稀缺与贵重导致其不能广泛应用，因此我们将目光转向了卟啉类染料敏化剂。本文中，通过在经典敏化剂分子YD2-o-C8的受体部分引入一系列具有不同强度的杂环化合物来构建不同强度的受体。计算结果表明随着被引入杂环的吸电子强度增强，最高占据轨道和最低未被占据轨道之间的能隙降低，吸收光谱红移，电子转移能力增强，锚固基团与二氧化钛半导体之间的电子耦合能力增强。这篇文章有助于我们更加深入的了解强电子受体是如何影响染料敏化太阳能电池的性能。
　　第三部分理论研究刚性结构及扩大共轭程度对三苯胺类染料敏化剂性能的影响
　　近些年，染料敏化太阳能电池（DSSCs）引起了广泛的关注，大量的研究通过改变D-π-A结构中供体部分或是π-桥部分的共轭程度，也有用刚性结构来扩大供体部分或是π-桥部分的共平面性，并以此来提升染料敏化太阳能电池的性能。本文中，我们首次在供体和π桥之间的设计一个刚性结构，并在这个刚性结构上面进一步扩大其共轭，尝试验证一下这样的设计思路是不是也有利于DSSCs性能的提升。通过对比讨论各个分子的电子结构、光诱导电荷转移性质和吸收光谱得出最佳的设计方法。文章采用密度泛函理论方法分别计算了三苯胺敏化剂分子的电子光谱信息和电子结构。计算结果表明，刚性结构使得新设计的分子有34nm的红移。随着共轭的进一步的扩大，红移越来越明显，最大红移的近120nm。此外新设计的染料分子的振子强度有一定的提高。因此，将敏化剂的供体部分和π-桥部分设计成刚性结构并扩大其共轭是提高敏化剂性能的一个可行的策略与手段。

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第一节 选题背景

1.1 染料敏化太阳能电池的研究背景

1.2 染料敏化太阳能电池的构造及工作原理

1.3 染料敏化剂的研究现状

参考文献

第二节 理论部分

2.1 密度泛函理论（Density Functional Theory , DFT）

2.2 含时密度泛函理论

2.3 关于染料敏化太阳能电池的相关参数的理论知识

参考文献

第三节 辅助受体的位置对D-A-π-A染料敏化太阳能电池性能的影响

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4 结论

参考文献

第四节 YD2-o-C8-based的衍生物的理论设计以及对影响其光电转换效率因素的探究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

第五节 理论研究刚性结构及扩大共轭程度对三苯胺类染料敏化剂性能的影响

5.1 引言

5.2 计算细节

5.3 结果和讨论

5.4 结论

参考文献

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