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2-吡喃酮类染料敏化剂分子设计的理论研究

作　者: 昝中华
导　师: 董浩
学　校: 辽宁师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 染料敏化剂 2－吡喃酮密度泛函理论吸收光谱敏化剂－TiO2相互作用
分类号: O626
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

染料敏化太阳能电池（DSSCs）作为新一代的可持续的光电设备已经引起了相当大的关注，由于它有相对较高的入射太阳光电转换效率和低的生产成本。染料敏化剂被公认为是，实现高性能DSSC的所有组件中关键的部分。不含金属的纯有机染料，因为它们高的摩尔消光系数、灵活的结构剪裁、低成本制备过程以及环境友好，导致科学家对其大量研究。因此，在本论文中，我们设计了以2－吡喃酮为π共轭桥的新型染料敏化剂，利用密度泛函（DFT）和含时密度泛函（TDDFT）方法，计算了染料分子在TiO₂表面吸附前后的光电性质。主要研究结果如下：1.与噻吩类敏化剂相比，敏化剂P1的分子平面性较好，P2和T的结构相似，引入亚乙烯基后，所有敏化剂都具有非常高的分子平面性，从而有利于分子间的电荷转移。2.2－吡喃酮类分子的LOMO轨道主要集中在电子受体部分，其能量大大高于TiO₂导带边缘能量；HOMO能量主要集中在电子给体部分，低于氧化还原电对I-/I-3的氧化还原势。同时我们还计算了电子激发过程中自由能变化，结果表明，所设计敏化剂拥有足够的驱动力将激发态电子注入到TiO₂导带，而且氧化态染料分子易于被I-/I-3还原。3.与常用的敏化剂CHCH－T、CHCH－Ph、CHCH－F相比，2－吡喃酮类敏化剂的吸收峰明显红移，其中OMe－CHCH－P2的最大吸收峰达到了540nm，光捕获效率超过了0.98。4.以（TiO₂）8团簇为半导体模型，研究了半导体对染料敏化剂的影响。结果显示，2－吡喃酮类新型敏化剂，易于吸附在半导体表面，吸附能都大于40kcal/mol，而且双齿螯合吸附方式优于单齿吸附。以双齿螯合方法吸附到TiO₂表面后，敏化剂的吸收峰明显大大红移，吸光范围变宽，OMe－CHCH－P2的吸收峰从540nm红移到了617nm。综上所述，本论文理论研究结果表明，与噻吩类敏化剂相比，以2－吡喃酮为π共轭桥的新型分子完全有希望作为优越的敏化剂应用于染料敏化太阳能电池中。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-26
  1.1 能源  9-10
    1.1.1 能源的分类  9
    1.1.2 世界能源现状  9-10
  1.2 太阳能概述  10-12
    1.2.1 太阳能  10
    1.2.2 太阳能分布  10-11
    1.2.3 太阳能利用的途径  11-12
  1.3 太阳能电池  12-14
    1.3.1 太阳能电池概述  12-13
    1.3.2 太阳能电池的分类  13-14
  1.4 染料敏化太阳能电池  14-18
    1.4.1 染料敏化太阳能电池概述  14-15
    1.4.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理  15-17
    1.4.3 染料敏化太阳能电池性能的评价指标  17-18
  1.5 染料敏化太阳能电池中的敏化剂  18-24
    1.5.1 染料敏化剂的基本要求  18
    1.5.2 染料敏化剂的种类  18-24
  1.6 课题选择意义  24-26
第2章理论基础和计算方法  26-30
  2.1 密度泛函理论概述  26-28
  2.2 溶剂化效应  28-30
第3章 2 吡喃酮染料敏化剂的理论研究  30-52
  3.1 引言  30-31
  3.2 计算方法  31
  3.3 结果和讨论  31-50
    3.3.1 基态几何结构  31-34
    3.3.2 分子前线轨道  34-41
    3.3.3 泛函的影响  41-43
    3.3.4 紫外－可见吸收光谱  43-47
    3.3.5 光捕获效率（LHE）  47-48
    3.3.6 电子激发  48-50
  3.4 本章小结  50-52
第4章 TiO_2－染料敏化剂相互作用的理论研究  52-65
  4.1 引言  52-53
  4.2 计算方法  53
  4.3 结果和讨论  53-63
    4.3.1 吸附态几何结构  53-57
    4.3.2 分子前线轨道  57-62
    4.3.3 紫外－可见吸收光谱  62-63
  4.4 本章小结  63-65
参考文献  65-69
读硕士学位期间发表学术论文情况  69-70
致谢  70

2-吡喃酮类染料敏化剂分子设计的理论研究

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