幾種新型染料敏化劑的理論設(shè)計(jì)及其對DSSCs性能影響的探究.pdf

1、本文首先研究的是非金屬類染料敏化劑。通過改變D-A-π-A型染料敏化劑中輔助受體——苯并噻二唑（BDT）的位置設(shè)計(jì)了一系列的新型二氫吲哚染料，并采用密度泛函理論及含時密度泛函理論詳細(xì)研究了它們的性質(zhì)。為了確定出輔助受體在D-A-π-A型染料分子的哪個位置上對光電轉(zhuǎn)換效率最為有利，我們對比分析了新設(shè)計(jì)的分子與其母本分子的電子結(jié)構(gòu)，光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移特征，激發(fā)態(tài)壽命，吸收光譜性質(zhì)，電子注入驅(qū)動力，垂直偶極距以及自然軌道電荷分析。計(jì)算結(jié)果表明，輔助受

2、體處于和錨固基團(tuán)直接相連的位置時更有利于提高染料敏化太陽能的性能。前面的研究主要集中在非金屬染料敏化劑方面，接下來的工作我們主要研究含金屬的染料敏化劑。以鋅卟啉敏化劑分子為例，我們通過在受體部分引入不同雜環(huán)設(shè)計(jì)了一系列具有不同強(qiáng)度受體的新型鋅卟啉敏化劑分子。理論結(jié)果表明，引入雜環(huán)的吸電子能力越強(qiáng)，則結(jié)構(gòu)變化后的電子受體越強(qiáng)，并研究了不同強(qiáng)度的受體與光電轉(zhuǎn)換效率的之間的關(guān)系。此外，在三苯胺類染料敏化劑的基礎(chǔ)上，我們通過在供體和π橋之間設(shè)計(jì)

3、剛性結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步擴(kuò)大整個染料分子的共軛程度來探究這種結(jié)構(gòu)的變化對染料敏化太陽能電池性能的影響。我們希望可以為設(shè)計(jì)新型高效的敏化劑分子提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。
　　第一部分、關(guān)于D-A-π-A型染料分子中輔助受體的位置對染料敏化太陽能電池影響的研究
　　通過閱讀大量實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)很多研究者在研究新型的D-A-π-A型染料分子。從中我們發(fā)現(xiàn)D-A-π-A型染料分子中的輔助受體有三種可能的位置：（1）供體和π-橋之間（2）π-橋的

4、中間（3）π-橋和錨固基團(tuán)之間。為了研究D-A-π-A型染料分子中的輔助受體的位置對染料敏化太陽能電池性能的影響，我們通過改變母本分子中輔助受體的位置設(shè)計(jì)了一系列分子，并對比了一系列影響染料敏化太陽能電池性質(zhì)的參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)輔助受體處于π-橋和錨固基團(tuán)之間時，敏化劑分子在電荷轉(zhuǎn)移效率，激發(fā)態(tài)壽命，光譜吸收，垂直偶極矩等方面均優(yōu)于輔助受體在其他位置時的敏化劑分子。這些參數(shù)優(yōu)異的表現(xiàn)有利于得到高的開路電壓和較高的短路電流。當(dāng)輔助受體

5、處于π-橋的中間時，敏化劑分子表現(xiàn)出比母本分子還小的垂直偶極矩和較小的由光誘導(dǎo)產(chǎn)生的從染料分子轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體的電子數(shù)目。這可能會不利于染料敏化太陽能電池性能的提升。我們希望本文的研究結(jié)果可以為進(jìn)一步的分子設(shè)計(jì)提供可信的理論指導(dǎo)。
　　第二部分、關(guān)于YD2-o-C8-based的衍生物的理論設(shè)計(jì)以及對影響其光電轉(zhuǎn)換效率因素的探究
　　染料敏化太陽能電池（DSSCs）以其環(huán)境友好，易于制造和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)成為了能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一

6、，然而到目前為止非金屬的有機(jī)染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（η）仍然很低。而金屬釕的稀缺與貴重導(dǎo)致其不能廣泛應(yīng)用，因此我們將目光轉(zhuǎn)向了卟啉類染料敏化劑。本文中，通過在經(jīng)典敏化劑分子YD2-o-C8的受體部分引入一系列具有不同強(qiáng)度的雜環(huán)化合物來構(gòu)建不同強(qiáng)度的受體。計(jì)算結(jié)果表明隨著被引入雜環(huán)的吸電子強(qiáng)度增強(qiáng)，最高占據(jù)軌道和最低未被占據(jù)軌道之間的能隙降低，吸收光譜紅移，電子轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)，錨固基團(tuán)與二氧化鈦半導(dǎo)體之間的電子耦合能力增強(qiáng)。這篇文

7、章有助于我們更加深入的了解強(qiáng)電子受體是如何影響染料敏化太陽能電池的性能。
　　第三部分理論研究剛性結(jié)構(gòu)及擴(kuò)大共軛程度對三苯胺類染料敏化劑性能的影響
　　近些年，染料敏化太陽能電池（DSSCs）引起了廣泛的關(guān)注，大量的研究通過改變D-π-A結(jié)構(gòu)中供體部分或是π-橋部分的共軛程度，也有用剛性結(jié)構(gòu)來擴(kuò)大供體部分或是π-橋部分的共平面性，并以此來提升染料敏化太陽能電池的性能。本文中，我們首次在供體和π橋之間的設(shè)計(jì)一個剛性結(jié)構(gòu)，并在這

8、個剛性結(jié)構(gòu)上面進(jìn)一步擴(kuò)大其共軛，嘗試驗(yàn)證一下這樣的設(shè)計(jì)思路是不是也有利于DSSCs性能的提升。通過對比討論各個分子的電子結(jié)構(gòu)、光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)和吸收光譜得出最佳的設(shè)計(jì)方法。文章采用密度泛函理論方法分別計(jì)算了三苯胺敏化劑分子的電子光譜信息和電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，剛性結(jié)構(gòu)使得新設(shè)計(jì)的分子有34nm的紅移。隨著共軛的進(jìn)一步的擴(kuò)大，紅移越來越明顯，最大紅移的近120nm。此外新設(shè)計(jì)的染料分子的振子強(qiáng)度有一定的提高。因此，將敏化劑的供體部分和