太陽能電池中具有D-A-π-A構型的染料敏化劑分子的理論設計與表征.pdf

1、隨著能源和環(huán)境問題的不斷突顯,尋求一種高效、清潔的新能源成為科研工作者亟待解決首要問題。在此背景下太陽電池應運而生,其中染料敏化太陽電池(DSSCs)以其豐富的原料、低廉的成本、相對簡單的制作工藝、較強的可塑性以及原材料和制備工藝均是無毒,無污染等優(yōu)點而備受關注。光敏化劑作為染料敏化太陽能電池的主要組成部分,理論工作者可以通過模擬染料分子的結構,并結合可靠的理論計算方法,在此基礎上對染料分子的電子結構的理論研究從而來揭示這種分子的宏觀屬

2、性的微觀本質。最終為實驗工作者設計和合成性能更加優(yōu)異的染料分子提供理論支持。
　　目前染料分子的所有構型當中,D-A-π-A構型由于在傳統(tǒng)的D-π-A構型中引入一個親電性的輔助基團(A),使得染料分子的吸收光譜發(fā)生明顯紅移,摩爾消光系數顯著提高,并且內外電路電荷復合的能力大大的降低,而被廣泛研究。本論文主要以實驗合成的吲哚和三苯胺基的D-A-π-A構型的染料分子(IQ2和TQ2)為基礎,結合量子化學中的密度泛函(DFT)、含時密度

3、泛函(TD-DFT)、自然鍵軌道分析(NBO)和C-PCM極化連續(xù)介質模型等理論方法對其進行理論設計和表征。其中具體的研究工作如下:
　　(1)以吲哚和三苯胺為骨架的染料分子(IQ2和TQ2)作為基礎,通過取代原有構型中的橋聯噻吩,重新設計分別以呋喃和苯環(huán)為橋聯基團的D-A-π-A構型的染料分子(IQB、IQF、TQB和TQF),并對所有染料分子(包括IQ2和TQ2)的幾何和電子結構,光譜屬性,光捕獲效率,激子結合能,第一激發(fā)態(tài)的

4、壽命,注入驅動力,偶極矩和注入半導體導帶中的電子數目以及染料分子與碘化物之間的穩(wěn)定化能等主要影響短路電流JSC和開路電壓VOC參數進行理論研究。并且得到與實驗結果相一致的結論,從而表明可以通過以上參數對染料分子光電性能進行篩選和表征;
　　(2)理論研究在D-A-π-A構型中不同的給電子基(吲哚和三苯胺)和橋聯基團(苯基、呋喃和噻吩)對染料分子整體性能影響。并發(fā)現染料分子IQ2和TQ2具有更好的光電性能尤其是IQ2(與實驗結果一致

5、)。我們通過詳細的研究表明:在IQ2分子構型中吲哚作為給電子基團和噻吩作為橋聯基團時,對其光物理和電化學性質的影響尤為明顯;
　　(3)在篩選得到的染料分子IQ2的基礎上,通過將原D-A-π-A構型中的額外供電子基喹喔啉上的部分原子和橋聯基噻吩進行替換,得到新的染料分子(IQS1、IQS2和IQS3)。通過上述表征手段進行研究發(fā)現相:比較IQ2,我們重新設計的IQS2和IQS3表現出更好光捕獲效率和較長的第一激發(fā)態(tài)壽命。更重要的是