光敏量子點(diǎn)與太陽能電池的第一性原理研究.pdf

1、量子點(diǎn)，又可稱為納米晶，通常是一種由Ⅱ族，Ⅲ-Ⅴ族元素以及過渡金屬組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于2～10 nm之間，穩(wěn)定、溶于水。目前研究較多的是貴金屬量子點(diǎn)Au，Ag等，半導(dǎo)體量子點(diǎn)，如TiO2、CdS、CdSe等。近來，量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的性質(zhì)越發(fā)受到人們的重視，其研究?jī)?nèi)容涉及到化學(xué)、物理、生物、材料等多學(xué)科，已經(jīng)成為一門新興的交叉學(xué)科。量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)主要基于它自身的量子效應(yīng)。當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，尺寸的限制將引起量子限域

2、效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、宏觀量子效應(yīng)和表面效應(yīng)。從而派生出納米體系具有不同的低維物性，因而展現(xiàn)出諸多不同于宏觀材料的物理與化學(xué)性質(zhì)，這在非線性光學(xué)、光伏材料，磁介質(zhì)、光催化、醫(yī)藥等方面有著極具潛力的應(yīng)用價(jià)值。
　　 有機(jī)光伏電池是一種用有機(jī)材料制成的太陽能電池，主要由導(dǎo)電的有機(jī)聚合物或者小的有機(jī)分子組成。它具有成本低的特點(diǎn)，且有許多優(yōu)良的特性，如柔性，異成膜等。有機(jī)分子的光吸收系數(shù)很高，因此少量的材料便可以吸收大量的光能。它主要的缺點(diǎn)是

3、目前開發(fā)的產(chǎn)品效率較低，但它卻有較高的理論光電轉(zhuǎn)化率，很有研究?jī)r(jià)值與潛力。
　　 在第一章中，我們簡(jiǎn)單的介紹了密度泛函理論的框架，從最初的Thomas-Fermi模型到Hohenberg-Kohn定理，再到Khon-Sham方程。相應(yīng)的含時(shí)密度泛函理論，從Runge-Gross定理到含時(shí)的Kohn-Sham方程，我們都做了系統(tǒng)的介紹，在此基礎(chǔ)上，我們還介紹了時(shí)域下通過傳播密度矩陣來求解含時(shí)的Kohn-Sham方程。最后，我們介紹

4、了最小開關(guān)的Surface Hopping方法，以及線寬理論。
　　 第二章中，我們研究了銀量子點(diǎn)的電聲耦合動(dòng)力學(xué)。銀量子點(diǎn)作為一種貴金屬，具有特別的局域表面等離子共振現(xiàn)象。其均勻共振線寬主要由去相干/去相位時(shí)間與激發(fā)態(tài)壽命(即馳豫時(shí)間)共同決定。我們首先研究了聲子誘導(dǎo)的等離子激元去相干作用。結(jié)果表明等離子激發(fā)中電聲耦合導(dǎo)致的去相干是總的去相干作用中重要的組成部分。較小的銀納米晶，其聲子誘導(dǎo)的等離子激發(fā)去相干時(shí)間更短。此外，溫度

5、對(duì)去相干的影響較大，低溫時(shí)的聲子運(yùn)動(dòng)不活躍，因此其誘導(dǎo)的去相干較為不明顯。接下來，結(jié)合最小開關(guān)的surface hopping與含時(shí)Kohn-Sham方法，我們研究了銀量子點(diǎn)等離子激發(fā)態(tài)的電聲馳豫動(dòng)力學(xué)。通過模擬得到一系列等離子激發(fā)態(tài)的馳豫時(shí)間在500至1800 fs之間。其中，低能激發(fā)要快于高能激發(fā)的馳豫時(shí)間，這和超快光譜得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。
　　 在第三章中，我們研究了染料敏化太陽能電池中染料-納米晶界面間的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力

6、學(xué)。首先，運(yùn)用時(shí)域中傳播密度矩陣解含時(shí)Kohn-Sham方程的方法，我們研究了三種染料-TiO2納米晶復(fù)合體系。電子動(dòng)力學(xué)模擬得到的結(jié)果表明，從激發(fā)態(tài)染料分子向二氧化鈦轉(zhuǎn)移的過程很快，只有幾個(gè)飛秒，這很好的符合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米晶尺寸很小時(shí)，電子轉(zhuǎn)移的尺寸效應(yīng)更加明顯。而當(dāng)尺寸增大時(shí)，其量子尺寸效應(yīng)迅速的降低。第二部分，我們運(yùn)用非絕熱的分子動(dòng)力學(xué)方法，研究了小尺寸alizarin敏化的TiO2納米晶界面間的多指數(shù)電子

7、轉(zhuǎn)移過程。這種多指數(shù)的電子轉(zhuǎn)移主要來源于納米晶導(dǎo)帶的能級(jí)分立，因而導(dǎo)致了絕熱與非絕熱機(jī)理共同作用于電子轉(zhuǎn)移過程。此外，該體系具有很慢的電子反向轉(zhuǎn)移過程。這部分理論研究為提高太陽能電池的效率提供了一定的指導(dǎo)意義。
　　 最后，運(yùn)用量子化學(xué)方法，我們還研究了一類有機(jī)多聚體異質(zhì)結(jié)，BBL-P3HT與TB1-P3HT的電子結(jié)構(gòu)和光譜。研究結(jié)果表明這類異質(zhì)結(jié)的吸收光譜同時(shí)覆蓋了可見與紅外波段，這體現(xiàn)了他們具有良好的采光特性。此外，兩者的光