太陽能電池中具有D-A-π-A構(gòu)型的染料敏化劑分子的理論設(shè)計(jì)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(yīng)運(yùn)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(duì)簡(jiǎn)單的制作工藝、較強(qiáng)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(diǎn)而備受關(guān)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(jié)構(gòu),并結(jié)合可靠的理論計(jì)算方法,在此基礎(chǔ)上對(duì)染料分子的電子結(jié)構(gòu)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(zhì)。最終為實(shí)驗(yàn)工作者設(shè)計(jì)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(gòu)型當(dāng)中,D-A-π-A構(gòu)型由于在傳統(tǒng)的D-π-A構(gòu)型中引入一個(gè)親電性的輔助基團(tuán)(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(shù)顯著提高,并且內(nèi)外電路電荷復(fù)合的能力大大的降低,而被廣泛研究。本論文主要以實(shí)驗(yàn)合成的吲哚和三苯胺基的D-A-π-A構(gòu)型的染料分子(IQ2和TQ2)為基礎(chǔ),結(jié)合量子化學(xué)中的密度泛函(DFT)、含時(shí)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(zhì)模型等理論方法對(duì)其進(jìn)行理論設(shè)計(jì)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(chǔ),通過取代原有構(gòu)型中的橋聯(lián)噻吩,重新設(shè)計(jì)分別以呋喃和苯環(huán)為橋聯(lián)基團(tuán)的D-A-π-A構(gòu)型的染料分子(IQB、IQF、TQB和TQF),并對(duì)所有染料分子(包括IQ2和TQ2)的幾何和電子結(jié)構(gòu),光譜屬性,光捕獲效率,激子結(jié)合能,第一激發(fā)態(tài)的

4、壽命,注入驅(qū)動(dòng)力,偶極矩和注入半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子數(shù)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(shù)進(jìn)行理論研究。并且得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的結(jié)論,從而表明可以通過以上參數(shù)對(duì)染料分子光電性能進(jìn)行篩選和表征;
　　(2)理論研究在D-A-π-A構(gòu)型中不同的給電子基(吲哚和三苯胺)和橋聯(lián)基團(tuán)(苯基、呋喃和噻吩)對(duì)染料分子整體性能影響。并發(fā)現(xiàn)染料分子IQ2和TQ2具有更好的光電性能尤其是IQ2(與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致

5、)。我們通過詳細(xì)的研究表明:在IQ2分子構(gòu)型中吲哚作為給電子基團(tuán)和噻吩作為橋聯(lián)基團(tuán)時(shí),對(duì)其光物理和電化學(xué)性質(zhì)的影響尤為明顯;
　　(3)在篩選得到的染料分子IQ2的基礎(chǔ)上,通過將原D-A-π-A構(gòu)型中的額外供電子基喹喔啉上的部分原子和橋聯(lián)基噻吩進(jìn)行替換,得到新的染料分子(IQS1、IQS2和IQS3)。通過上述表征手段進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)相:比較IQ2,我們重新設(shè)計(jì)的IQS2和IQS3表現(xiàn)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