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利用密度泛函理论研究两种染料分子内的电荷转移

作　者: 张亚萍
导　师: 丁勇
学　校: 辽宁大学
专　业: 理论物理
关键词: 染料敏化太阳能电池电子转移激发态电荷差异密度偶极距
分类号: O561
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着煤、石油、天然气等能源的日益枯竭,人们迫切需要寻找新的能源。占地球总能量99%以上的太阳能是没有污染的一种清洁能源。太阳能转换的形式多种多样,但基本的一点是通过光敏材料将太阳能转化为化学能和电能。染料敏化太阳能电池(DSSCs),它的加工工艺简单,制造成本低廉,这为大幅度降低太阳能电池成本开辟了新途径。染料作为光敏化剂,它的关键作用是电子生成和注入,首先它通过吸收太阳光被激发,然后被激发的染料分子释放电子到二氧化钛(Ti02)的导带(CB)上,失去电子的染料分子成为正离子,被还原态的电解质还原再生。新合成的光敏剂在可见光区域有较宽的吸收光谱和高效率的电子转移能力。本文以两种非金属有机染料P1和P4为研究对象。P1是以噻吩为共轭链结构单元的化合物,具有较好的激发荧光特性和稳定性。P4是用苯基环代替噻吩环而得到的。本论文采用量子化学方法研究这两种有机染料。应用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP函数,6-311G(d)基组对两种染料几何优化结构和基态性质进行研究,并对这两种染料的最低未占据分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO)的密度和能量及这两个轨道之间的能级差进行研究。对于HOMO→LUMO轨道跃迁,P1和P4的能级差分别是2.79eV和3.26eV。P1和P4的激发态性质是应用含时密度泛函理论(TD-DFT)进行研究的,在这里重点研究两种染料吸收光谱的性质。我们还采用了三维实空间分析方法(3D)可视化了两种染料垂直激发的电子转移,并应用电荷差异密度(CDD)和跃迁密度(TD)研究了偶极距的大小和方向。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章引言  10-12
  1.1 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究背景、现状  10-11
    1.1.1 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究背景  10-11
    1.1.2 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究现状  11
  1.2 本文研究内容  11-12
第2章理论基础和计算方法  12-23
  2.1 理论基础  12-18
    2.1.1 分子轨道理论  12-13
    2.1.2 电子跃迁类型和跃迁定则  13-15
    2.1.3 光诱导内电子转移  15-16
    2.1.4 组态相互作用  16
    2.1.5 激发态的产生、类型和衰变  16-18
  2.2 密度泛函理论(DFT)  18-21
    2.2.1 密度泛函理论的基本思想  18-19
    2.2.2 Thomas-Fermi方法  19
    2.2.3 Hohenberg-kohn定理  19-20
    2.2.4 Kohn-Sham方程  20-21
  2.3 含时密度泛函理论(TDDFT)  21
    2.3.1 基本思想  21
  2.4 三维的实空间分析方法  21-23
    2.4.1 三维实空间分析法  22-23
第3章两种染料分子的基态和激发态的研究  23-31
  3.1 DSSCs电池原理  23
  3.2 计算方法  23-31
    3.2.1 几何优化  23-25
    3.2.2 研究分子基态的性质  25-26
    3.2.3 研究分子激发态的性质  26-31
第4章研究结果  31-34
  4.1 基态结果  31
  4.2 激发态结果  31-34
第5章结论与展望  34-36
  5.1 结论  34
  5.2 展望  34-36
致谢  36-37
参考文献  37-40
攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况  40-41
附件  41

利用密度泛函理论研究两种染料分子内的电荷转移

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