酞菁及其类似物作为太阳能电池光敏剂候选体的量子化学研究

摘要

酞菁及其类似物非同寻常的光、电、热和磁等特性,使其在染料敏化太阳能电池光敏剂方面存在着巨大的应用潜力,吸引着人们越来越浓厚的研究兴趣。在本论文的研究工作中,使用量子化学方法优化了酞菁及其类似物分子的几何结构,计算了它们的分子轨道能级、紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱,探索了分子结构与分子性能之间的构效关系,初步建立了一种能够预测酞菁及其类似物分子特定性质的新技术。这一技术最具吸引力的特点就是,通过对上述影响规律的探索有可能发现已知分子某种性质的物理根源,并设计出比已有文献报道的光敏剂性能更好的酞菁类敏化剂候选体分子,进一步用于发展较高光电转换效率的染料敏化太阳能电池。
　　本论文作为国家自然科学基金资助项目(No.20501011)的部分工作,从以下四个方面的研究工作中获得了一些有意义的研究结果:
　　1.氢卟啉和镁卟啉分子溶剂效应的理论研究
　　在密度泛函 B3LYP/6-31G(D)水平上计算了氢卟啉和镁卟啉分子在四氢呋喃、二甲基亚砜、二氯甲烷、氯仿这四种不同极性溶剂环境中的几何结构参数和分子轨道能级,研究了溶剂效应引起的分子几何结构和轨道能级的变化。理论计算结果表明,对比真空条件下氢卟啉和镁卟啉分子的几何结构,溶剂场中两种卟啉分子的几何结构都发生了微小的变化,这种变化随溶剂介电常数的增大而略有所增强。此外,溶剂环境中氢卟啉和镁卟啉分子的电子吸收光谱普遍发生了红移,结合分子轨道理论对这种变化给出了可能的解释。在此基础上,对这种包含溶剂效应的理论分析方法用于检验卟啉类化合物作为染料敏化太阳能电池光敏剂的可行性作了进一步的探讨。
　　2.自由基酞菁和锌酞菁分子取代基效应的理论研究
　　采用密度泛函B3LYP方法和6–31G(D)基组从分子结构、原子电荷、分子轨道能级、电子吸收光谱等方面研究了β-八取代酞菁衍生物分子[H2Pc(R)8(R=?F,?Cl,?Br,?OH,?CH3,?CN,?CHCH2,?CCH)]的取代基效应。根据激发态计算的结果分析,不同种类的简单取代基使酞菁分子在600-650nm范围内的最大吸收波长发生了不同程度的红移,这对于选择合适的取代基调控染料敏化剂分子的吸收光谱提供了参考。同时,根据自由基及其取代酞菁化合物和一些包含氰基羧酸的电子受体之间最低空轨道的能级差(即LUMOdonor–LUMOacceptor),筛选出一些合适的取代酞菁分子作为电子供体,与符合能级差要求的电子受体结合作为光敏染料的候选体分子。
　　3.萘菁分子中心金属络合效应的理论研究
　　为了进一步理解不同中心金属离子对酞菁扩展环萘菁分子的几何结构和光学性能的影响,采用密度泛函B3LYP方法和LANL2DZ基组分别研究了气相和溶剂相模型中系列金属萘菁[MNc(M=TiO, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru)]分子的中心金属络合效应。理论计算的结果表明,大多数金属萘菁分子的最大吸收波长相应于自由基萘菁分子发生不同程度的蓝移。并且根据作为电子供体的金属萘菁分子和电子受体之间最低空轨道的能级差(即LUMOdonor–LUMOacceptor),以及和Ti38O76晶粒模型的能级匹配情况,筛选出合适的中心金属离子用于改进萘菁作为光敏染料候选体分子的性能。
　　4.新型不对称酞菁作为光敏染料候选体的分子设计和筛选
　　采用密度泛函B3LYP方法和LANL2DZ基组研究了已有文献报道的PCH001和TT1两种光敏染料分子的电子结构和光谱性质。理论计算得到的分子轨道空间取向对上述两种染料敏化太阳能电池的光电转换效率差异给出了可能的解释。并且,采用同样的理论计算方法研究了系列新型不对称锌酞菁分子(CZ1, CZ2, CZ3, CZ6'A, CZ6'B和CZ6'C)的电子结构和光学性能。根据激发态计算的结果分析,CZ2、CZ6'B和CZ6'C分子弥补了以往酞菁类化合物在450-550nm区域内的吸收缺陷,比当前光电转换效率记录最高的 TT1光敏剂吸收更广泛的太阳光。所以,这些新型的酞菁类化合物作为光敏染料的候选体分子,可能会导致较高的短路电流密度(Jsc)和较高的光电转换效率(η)。

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前言

第一章 绪 论

1.1 染料敏化太阳能电池

1.2 染料敏化剂

1.3 酞菁及其类似物

1.4 本课题的选题背景和研究意义

第二章 氢卟啉和镁卟啉分子溶剂效应的理论研究

2.1 引言

2.2 计算模型和方法

2.3 结果与讨论

第三章 自由基酞菁和锌酞菁分子取代基效应的理论研究

3.1 引言

3.2 计算方法和模型

3.3 结果与讨论

第四章 萘菁分子中心金属离子络合效应的理论研究

4.1 引言

4.2 计算模型和方法

4.3 结果与讨论

第五章 新型不对称锌酞菁作为光敏染料候选体的分子设计和筛选

5.1 引言

5.2 新型不对称锌酞菁的分子设计和筛选（一）

5.3 新型不对称锌酞菁的分子设计和筛选（二）

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间撰写和发表的学术论文