一类新型光敏剂性质及其对DSSCs性能影响的理论研究

摘要

本文中我们通过在母本分子的桥链中引入不同数目的缺电子基团（嘧啶基和喹啉基）设计了一系列的新型香豆素染料，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。为了提出可信的分子设计方针，我们对比分析了新设计分子与其母本分子的捕光效率，电荷收集效率，电荷注人与染料再生效率。计算结果表明，缺电子的嘧啶基团比喹啉基团更有利于提高染料敏化太阳能电池的性能。同时，增加缺电子基团的数量可以有效地增加染料在短波区域的捕光效率，但是在长波区域的吸收光谱却随着缺电子基团数目的增加而蓝移，最终降低染料分子整体的光学吸收性能。根据以上研究我们认为改变π桥会直接影响DSSCs的光电转换效率。所以，在接下来的工作中我们在传统的具有D-π-A构型的敏化剂分子的π桥上加入一个辅助的电子受体，形成D-A-π-A构型的新型敏化剂分子。通过探索这个辅助的电子受体如何影响DSSCs光电转换效率，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。
　　1.提高香豆素类染料敏化太阳能电池效率的有效策略
　　近年来，非金属香豆素类染料敏化太阳能电池(DSSCs)已经引起人们极大的关注。但是此类DSSCs的能量转换效率较低，其主要原因之一是香豆素染料在短波区域内窄而弱的光吸收。本文采用一种有效的策略来提高香豆素在短波区的吸光性能，从而提高DSSCs的能量转换效率，即在母本分子中引入缺电子基团（嘧啶和喹啉）。我们采用密度泛函理论研究了染料分子及染料-二氧化钛复合物的相关性质。结果表明，在染料分子中引入一个缺电子基团后，DSSCs相应的光吸收效率、电子注入效率、电荷收集效率以及染料再生效率都得到了提高。当在染料分子中引入两个缺电子基团时，光敏剂在短波区的吸收光谱发生了红移，吸收强度也有明显增强，但是其在长波区内的吸收光谱发生了明显的蓝移。在染料分子中引入两个嘧啶基团既有利于电荷从染料供体部分转移到受体部分，也有利于电荷的注入;但是在敏化剂分子中引入两个喹啉基团则会产生相反的效果。此外，我们也研究了缺电子基团对染料-二氧化钛复合物性能的影响。虽然缺电子基团可以加强染料与二氧化钛之间的电子耦合强度，但是不会改变电子注入机理（间接注入）。我们希望本文阐述的策略可为提高DSSCs的能量转换效率提供理论指导。
　　2.探究具有D-A-π-A构型的非金属敏化剂的构型与性能之间的关系
　　近二十年内，高效低成本的染料敏化太阳能电池引起了学术与工业领域的极大兴趣。其中，具有D-π-A构型的非金属有机染料也成为主要的研究热点。最近，实验上研究人员在敏化剂分子中引入一个辅助的电子受体，从而形成具有新构型D-A-π-A的高效敏化剂。在本文中，我们采用密度泛函理论和含时密度泛函理论讨论了具有不同吸电子能力的辅助电子受体对染料的光学吸收、电荷分离效率、电子注入及染料再生效率的影响。结果表明，当辅助电子受体的吸电子能力比较强时，吸收光谱会发生红移，分子内的电荷分离效率会降低。但是，当辅助电子受体的吸电子能力比较弱时，吸收光谱则会发生轻微的蓝移，分子内的电荷分离效率会增强。因此，为了平衡染料的吸收与电荷分离性能，最好是选取吸电子能力适中的辅助电子受体。除此之外，随着辅助电子受体吸电子能力的增强，电荷注入效率反而会有所降低，但是染料再生效率却会明显升高。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。
　　3.理论设计不同取代基修饰的高效三苯胺类敏化剂
　　近些年，染料敏化太阳能电池(DSSCs)已经引起了广泛的关注，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。为了提高DSSCs的效率，不同的吸电子和给电子基团被引入到三苯胺敏化剂分子的供体部分，通过对比讨论各个分子的光学吸收和电荷分离的性能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，给电子基会使光谱红移并产生有效的电荷分离，但是吸电子基团会产生相反的结果。因此，在敏化剂的供体部分引入给电子基团是提高敏化剂性能的一个可行的策略与手段。

目录

声明

摘要

第一节 选题背景

1．1 染料敏化太阳能电池的研究进展

1．2 染料敏化太阳能电池的工作原理

1．3 敏化剂种类简述

1．4 染料敏化太阳能电池的研究现状及面临的挑战

参考文献

第二节 理论部分

2．1 密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)

2．1．1 基本原理

2．1．2 常用的密度泛涵方法

2．2 含时密度泛函理论(Time-dependent Density Functional Theory，TD-DFT)

2．3 参数化泛函M06-2X

2．4 染料敏化太阳能电池的光电转换效率

参考文献

第三节 提高香豆素类染料敏化太阳能电池效率的有效策略

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 模型分子的电子结构和吸收光谱

3．3．2 不同的缺电子基团及其数量如何影响敏化剂的性能?

3．3．3 不同的缺电子基团及其数量如何影响染料／二氧化钛复合物的性能

3．4 结论

参考文献

第四节 探究具有D-A-π-A构型的非金属敏化剂的结构与性能之间的关系

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 香豆素类光敏剂

4．3．2 吲哚类光敏剂

4．3．3 三苯胺类光敏剂

4．3 结论

参考文献

第五节 理论设计不同取代基修饰的高效三苯胺类敏化剂

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 吸收光谱

5．3．2 前线分子轨道

5．3．3 光致电荷转移

5．4 结论

参考文献

已完成论文

致谢