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卟啉类太阳能电池敏化剂的理论研究

作　者: 马瑞敏
导　师: 张宪玺
学　校: 聊城大学
专　业: 无机化学
关键词: 密度泛函卟啉分子轨道能级电子吸收光谱敏化剂
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

卟啉类化合物在染料敏化太阳能电池敏化剂方面存在着巨大的应用潜力。本论文使用量子化学方法研究了系列卟啉化合物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卟啉类化合物分子特定性质的新方法,并设计出可能比已有文献报道的敏化剂性能更好的卟啉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,在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:1.四苯基卟啉锌类敏化剂的理论研究采用密度泛函B3LYP方法和6-31G(D)基组分别计算了四苯基卟啉锌和A-I 9种含有羧基的小分子受体的分子轨道能级,筛选出了合适的电子供受体对敏化剂候选体分子。然后在B3LYP/LANL2DZ水平上探讨了分子轨道能级以及电子吸收光谱和敏化剂分子性能之间的关系;结合实验数据进行比较,发现分子的轨道能级差(HOMO-LUMO)越小,分子的光电转化效率越高。结果表明:利用分子轨道能级筛选敏化剂候选体的思路是可行的。2.卟啉分子取代基效应的理论研究在密度泛函B3LYP/6-31G(D)水平上计算了卟吩、11种桥碳取代氢卟啉分子以及9种含有羧基的小分子受体的分子轨道能级,研究了不同取代基对分子轨道能级变化的影响。从中筛选出了合适的电子供受体对来做为卟啉类敏化剂候选体。结果表明:分子的HOMO、LUMO轨道能级随着取代基供电子性质的增强依次升高;筛选出的取代卟啉类敏化剂敏化太阳能电池的光电转换效率很有可能超过ZnTPPG的7.1%。3.炔基桥连三苯基卟啉锌类化合物的理论研究采用密度泛函B3LYP方法和3-21G*基组分别计算了三苯基卟啉锌(ZnTriPP)和A-T 20种含有炔基的受体小分子的分子轨道能级,筛选出了合适的电子供受体对敏化剂候选体分子。结果表明:设计筛选的部分炔基桥连卟啉类敏化剂候选体的轨道能级差较小,光电转换效率很有可能超越最好的炔基桥连卟啉类敏化剂6.0%的光电转换效率。4.新型炔基桥连卟啉类敏化剂候选体的理论研究采用密度泛函B3LYP方法和3-21G*基组研究了以二芳氨、对甲苯、羟基以及氨基取代卟啉锌做为电子供体,筛选出的5种含炔基小分子做为电子受体形成的电子供受体对敏化剂分子的电子结构和光谱性质。结果发现:敏化剂候选体分子的轨道能级差均较小,电子吸收光谱明显红移,其中氨基取代卟啉锌类化合物是最好的敏化剂候选体体系。氨基取代卟啉锌类敏化剂候选体分子敏化太阳能电池的光电转换效率均可能超过6.0%。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
前言  9-10
第一章绪论  10-19
  1.1 染料敏化太阳能电池  10-13
  1.2 染料敏化剂  13-16
  1.3 卟啉类化合物  16-17
  1.4 本课题的选题背景和研究意义  17-19
第二章四苯基卟啉锌类敏化剂的理论研究  19-28
  2.1 引言  19-21
  2.2 计算模型和方法  21
  2.3 结果与讨论  21-27
  本章小结  27-28
第三章卟啉分子取代基效应的理论研究  28-46
  3.1 引言  28-30
  3.2 计算模型和方法  30
  3.3 结果与讨论  30-44
  本章小结  44-46
第四章炔基桥连卟啉锌类化合物的理论研究  46-61
  4.1 引言  46-47
  4.2 计算模型和方法  47-48
  4.3 结果与讨论  48-60
  本章小结  60-61
第五章新型炔基桥连卟啉类敏化剂候选体的理论研究  61-78
  5.1 引言  61-62
  5.2 计算模型和方法  62-63
  5.3 结果与讨论  63-77
  本章小结  77-78
第六章总结与展望  78-80
参考文献  80-86
致谢  86-87
攻读学位期间撰写和发表的学术论文  87-88

卟啉类太阳能电池敏化剂的理论研究

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