染料敏化太阳能电池中染料分子设计及其光电性质的理论研究.pdf

《染料敏化太阳能电池中染料分子设计及其光电性质的理论研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、染料敏化太阳能电池中染料分子设计及其光电性质的理论研究杨丽娜2015年12月中图分类号：O644UDC分类号：544染料敏化太阳能电池中染料分子设计及其光电性质的理论研究作者姓名杨丽娜学院名称化学学院指导教师李泽生教授答辩委员会主席葛茂发研究员申请学位理学博士学科专业物理化学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月10日Theoreticaldesignofdyemoleculesandinvestigationsonthephotoelectricpropertiesofdyesindye-sensitizeds

2、olarcellsCandidateName:Li-NaYangSchoolorDepartment:ChemistryFacultyMentor:Prof.Ze-ShengLiChair,ThesisCommittee:Prof.Mao-FaGeDegreeApplied:DoctorofScienceMajor:PhysicalChemistryDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：10Dec,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在

3、指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要染料分子是影响染料敏化太阳能电池（DSSC）光捕获效率及电子注入效率的关键组分。为了筛选出更加高效的染料分子，借助密度泛函及含时密度泛函理论，本论文模拟了系列潜在染料分子及染料/纳晶组装体

4、的电子结构及光学性质，计算结果可为实验合成更加高效的染料分子提供理论依据。以Zn（II）配位的酞菁染料（TT7）为基础，本文设计出一系列具有不同中心金属离子以及边缘/轴向基团的酞菁染料分子。结果表明，中心金属离子为Al（III）的酞菁染料分子具有合适的能级排布以及良好的光吸收性能。其中，以碘离子为轴向配体，二甲氨基为边缘取代基的Al（III）酞菁染料吸收光谱红移最大。对染料分子二聚体的研究表明，Al-I-Pc染料分子间π-π堆叠作用弱于TT7二聚体，可有效降低酞菁染料在半导体表面的聚集。因此，Al-I-Pc是潜在的高效酞菁染料

5、敏化剂。通过用不同的锚定基团取代CN11和CN12有机染料分子的羧基，本文设计出一系列新的有机染料分子。染料分子光电性能理论研究表明，以二硫代羧基（-CSSH）为锚定基团的染料分子（CN11-CSSH和CN12-CSSH）在同系列染料分子中光谱红移最大、响应范围最宽且第一激发态寿命最长。因此，二硫代羧基是设计高效染料分子的潜在锚定基团。通过采用不同的富电子以及缺电子单元取代非对称性方酸染料WCH-SQ11的3,4-亚乙基二氧噻吩（EDOT）单元，本文设计出四个新的方酸染料分子。理论研究表明，含二噻吩并吡咯（DTP）单元的WCH

6、-SQ11-1方酸染料具有良好的光吸收、电子注入和电荷转移（CT）性能以及大的垂直偶极矩（μnormal）。与孤立WCH-SQ11-1分子相比，WCH-SQ11-1/(TiO2)38复合物的最大吸收发生红移，且在最大吸收处，WCH-SQ11-1分子以直接的方式将电子注入到TiO2半导体的导带。因此，WCH-SQ11-1是可替换WCH-SQ11的潜在染料分子之一。以含氮芘单元的JD21分子为基础，本文设计出三个以硅为核心的JD21衍生物分子。对相关体系系统的理论研究表明，含二噻吩并噻咯（DTS）单元的Y2染料分子表现出良好的光捕

7、获能力、热力学和动力学性能，且Y2/(TiO2)38复合物具有较高的稳定性。因此，Y2分子是潜在的高效有机染料分子。计算结果同时也突显了硅原子在调控JD系列染料分子各项性能中的重要作用。I北京理工大学博士学位论文关键词：染料敏化太阳能电池；染料分子；电子结构；光学性质；动力学性质II北京理工大学博士学位论文AbstractThevitalroleinlightharvestingandelectroninjectionatdye/semiconductorinterfacehasledtoanexplosionindyesen

8、sitizerresearch.Inthisthesis,toidentifypotentialgooddyesfordye-sensitizedsolarcells(DSSCs),theelectronicandopticalpropertiesofisolatedanda