高效卟啉染料敏化劑分子的光電性質(zhì)與理論設(shè)計(jì).pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池是公認(rèn)的新一代光電電池，由于其制作簡(jiǎn)單，成本低廉，用途廣泛而吸引了全球許多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究已經(jīng)表明染料敏化劑的性質(zhì)對(duì)提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率有重要影響。目前通過(guò)對(duì)卟啉染料敏化劑分子結(jié)構(gòu)的修飾，其染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13％。但是卟啉類(lèi)染料敏化劑的光吸收范圍與太陽(yáng)光光譜的匹配程度仍然有很大的提升空間，因此，為了進(jìn)一步提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，拓寬卟啉類(lèi)染料敏化劑的光吸收范圍并增強(qiáng)其光吸收強(qiáng)

2、度顯得很有必要。
　　自由基卟啉與氮咔唑卟啉染料敏化劑耦合，可使得光譜獲范圍拓寬到900nm。因此，考慮到自由基卟啉對(duì)電子結(jié)構(gòu)及相關(guān)性質(zhì)的影響，本文在已有的染料敏化劑分子DTBC的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變自由基卟啉的數(shù)目，進(jìn)一步從理論上研究了自由基卟啉對(duì)電子結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著自由基卟啉單體數(shù)目的增加，提高了最高占據(jù)軌道，降低了最低未占據(jù)軌道，相應(yīng)的紅移了吸收帶，增強(qiáng)了光吸收強(qiáng)度。自由能的改變表明，隨著自由基卟啉單體數(shù)

3、目的增加，有利于更快的電子注入。躍遷性質(zhì)和電子軌道特征表明，不同的躍遷性質(zhì)可能導(dǎo)致不同的躍遷機(jī)制。就其電子結(jié)構(gòu)、光吸收譜、光捕獲能力以及自由能的改變來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的染料敏化劑分子DTBC-TP有望成為染料敏化太陽(yáng)能電池中的高效染料敏化劑分子。
　　本文比較的研究了卟啉染料敏化劑SM315。SM371和YD2-o-C8的電子結(jié)構(gòu)及激發(fā)態(tài)的相關(guān)性質(zhì)。幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)表明插入BTD基團(tuán)，延長(zhǎng)了共軛橋長(zhǎng)度。態(tài)密度的數(shù)據(jù)表明SM371的給體比YD2

4、-o-C8的給體引入了更多的電子，BTD充當(dāng)?shù)氖鞘荏w。光吸收性質(zhì)說(shuō)明插入BTD基團(tuán)拓寬了光吸收范圍。電荷轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)表明用己氧基聯(lián)苯胺替代YD2-o-C8的給體，并插入BTD基團(tuán)有效地提高了這些染料敏化劑激發(fā)態(tài)的電荷轉(zhuǎn)移特性。電子注入和染料再生自由能的變化表明SM315,SM371,YD2-o-C8都有足夠大的電子注入和染料再生速率。
　　研究已表明H2(TAnP)和H2(TAzP)是全色的染料敏化劑分子，并且H2(TAnP)和H2(

5、TAzP)的光吸收性質(zhì)受不同位置的替代的影響。本文以H2(TAnP)和H2(TAzP)作為π共軛橋，給體和受體部分與YD2-o-C8相同，設(shè)計(jì)為D-π-A結(jié)構(gòu)，基于密度泛函理論（DFT）和含時(shí)密度泛函理論（TDDFT）計(jì)算了電子結(jié)構(gòu)和光吸收等相關(guān)性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明H2(TAnP)和H2(TAzP)設(shè)計(jì)為D-π-A結(jié)構(gòu)后，減小了HOMO-LUMO能隙，紅移了光吸收譜，有足夠大的電子注入和染料再生自由能的改變來(lái)確保電子的快速注入和染料的染料