高效卟啉染料敏化劑分子的光電性質(zhì)與理論設(shè)計.pdf

1、染料敏化太陽能電池是公認(rèn)的新一代光電電池，由于其制作簡單，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)對提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率有重要影響。目前通過對卟啉染料敏化劑分子結(jié)構(gòu)的修飾，其染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13％。但是卟啉類染料敏化劑的光吸收范圍與太陽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能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，拓寬卟啉類染料敏化劑的光吸收范圍并增強其光吸收強

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電子結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)的影響。計算結(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，增強了光吸收強度。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說，設(shè)計的染料敏化劑分子DTBC-TP有望成為染料敏化太陽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)，延長了共軛橋長度。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)計為D-π-A結(jié)構(gòu)，基于密度泛函理論（DFT）和含時密度泛函理論（TDDFT）計算了電子結(jié)構(gòu)和光吸收等相關(guān)性質(zhì)。計算結(jié)果表明H2(TAnP)和H2(TAzP)設(shè)計為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確保電子的快速注入和染料的染料