染料敏化太陽能電池中釕基染料的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和工藝研究.pdf

1、太陽能作為一種儲(chǔ)量豐富，清潔無污染的能源一直廣受關(guān)注。1991年瑞士科學(xué)家Graztel和O'Regan首次將TiO2納米晶多孔薄膜用于染料敏化太陽能電池(Dye-sensitizedsolarcells，DSSCs)中，大幅提高了此類電池的光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過20多年的發(fā)展，DSSCs憑借著低廉的制造成本、簡單的結(jié)構(gòu)和較高的光電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為傳統(tǒng)太陽能電池最有力的競爭者，被譽(yù)為為第三代太陽能電池。染料敏化劑是DSSCs中的核心

2、成分之一，也是占成本比重較大的組分。目前使用最多的染料仍然是以釕為中心原子的聯(lián)吡啶類染料，包括N3，N719等，其中CYC-B11染料創(chuàng)造了高達(dá)11.5％的光電轉(zhuǎn)化效率的記錄。但是釕本身是一種貴金屬元素，并且核心配體4，4'-二甲酸-2，2'-聯(lián)吡啶制備成本昂貴，如何能夠設(shè)計(jì)出具有更高光電性能的釕基染料和低成本并且高效的合成出來是我們亟需解決的問題。
　　在本論文中，我們用理論分析和實(shí)驗(yàn)合成的方法研究了新型染料的設(shè)計(jì)思路和釕基染料

3、的合成工藝，主要工作包括以下三部分:
　　1、通過DFT和TDDFT的方法，選取不同烷基鏈長的釕基染料作為研究對(duì)象，理論的分析了染料結(jié)構(gòu)如何影響DSSCs光電轉(zhuǎn)換效率的兩個(gè)重要因素—短路電流（Jsc）和開路電壓(Voc)。通過計(jì)算光捕獲效率（LHE）和染料激發(fā)態(tài)電子注入到TiO2導(dǎo)帶的驅(qū)動(dòng)力（ΔGinject），來分析對(duì)短路電流的影響。通過引入一個(gè)簡單的TiO2吸附模型來模擬染料與TiO2之間的相互作用，并計(jì)算出了影響開路電壓的垂

4、直偶極矩和激發(fā)態(tài)時(shí)TiO2上面的電荷轉(zhuǎn)移量。計(jì)算結(jié)果表明Jsc和Voc隨烷基鏈增長而增大（從1到13），而Voc在鏈長為13時(shí)開始下降。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，表明該種計(jì)算模型運(yùn)用在理論分析釕基染料時(shí)是有效的。
　　2、利用上述驗(yàn)證過的有效計(jì)算模型，我們據(jù)此設(shè)計(jì)出了新型的高效釕基染料。噻吩官能團(tuán)在釕基染料中有非常好的光電表現(xiàn)，我們通過運(yùn)用上述模型理論表征已經(jīng)合成出來的含各種噻吩基團(tuán)的釕基染料，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析這些官能團(tuán)對(duì)染料

5、光電性能的影響。通過分析比較最終確定含有三個(gè)噻吩基團(tuán)的DyeA-1號(hào)染料具有較好的理論表現(xiàn)，有望在實(shí)驗(yàn)中有突出的光電性能表現(xiàn)。
　　3、提出了一種以廉價(jià)的工業(yè)原料2-氯異煙酸為原料，丙三醇/水混合溶液為溶劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％的鈀碳為催化劑，發(fā)生催化偶聯(lián)反應(yīng)的工藝路線，經(jīng)濟(jì)簡便的合成出了釕基染料的核心配體的4，4'-二甲酸-2，2'-聯(lián)吡啶。該工藝路線具有條件溫和，產(chǎn)率高，催化劑可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。該配體在避光，高溫和