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《北京理工大学》 2016年
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染料敏化太阳能电池中染料聚集效应的理论研究

冯帅  
【摘要】:大部分有机染料易聚集于光阳极表面(通常指二氧化钛TiO_2)。一定程度的染料聚集有助于在TiO_2界面上形成紧密的染料层,但是,染料聚集会导致分子间电子转移和激发态猝灭,不利于电子从染料注入至TiO_2导带中,从而降低光电流、光电压及光电转换效率。本论文利用密度泛函理论(DFT)、紧束缚密度泛函方法(DFTB)以及第一性原理分子动力学模拟,研究了一系列有机染料在光阳极表面的聚集效应,分析了不同染料分子结构与染料聚集效应的关系。主要结果如下:(1)研究了两种不同的有机吲哚染料(WS-2和WS-6)的聚集行为。结果表明,当染料吸附于TiO_2表面时,WS-6染料由于己基烷支链的存在有效地降低了分子间聚集效应,而WS-2染料分子间聚集效应较强。另外,较强的分子间聚集效应会导致染料分子间存在较大的电子耦合值,不利于电子从染料注入TiO_2导带,从而降低染料太阳能电池光电转换效率。对深入探索染料的聚集机理和寻求影响染料太阳能电池光电转换效率的因素以及合理地设计高效抗聚集型染料提供理论依据。(2)研究了两种分子构型不同的有机染料(IQ_4和LS-1)的聚集效应,比较了光学性质和分子间电子耦合值。通过将模拟得到的聚集染料吸收光谱与实验值比较,说明染料聚集对光谱性质有一定影响。另外,第一性原理分子动力学模拟表明IQ_4染料中的2,3-二苯喹喔啉基团具有较强的空间位阻效应,使二聚体中两个染料分子在TiO_2表面能够更好地分离,能够降低染料分子间的电子耦合值。通过比较LS-1和IQ_4两种染料的分子间电子耦合值,IQ_4染料分子间电子耦合值是LS-1染料的1/10,可增大电子注入效率。在动力学模拟过程中,IQ_4染料聚集体始终保持着垂直于TiO_2界面的构型,而LS-1染料则更易倾斜于TiO_2界面,从而增大电子复合几率。上述研究结果可以解释IQ_4染料在染料敏化太阳能电池中具有较大的光电流和较高的光电转换效率的原因,且表明IQ_4染料具有较好的抗聚集性。(3)研究了四种吩噻嗪染料(TP,TTP,EP和EEP)的再生过程和染料聚集效应,分析了不同给电子基团对吩噻嗪染料敏化的太阳能电池光电转换效率的影响。研究表明,选用I~-/I_3~-电对时,四种染料中TP染料的再生驱动力最大,而EEP染料的再生驱动力最小,并且这类吩噻嗪染料的再生驱动力主要与给电子基团与吩噻嗪部分的最高占据轨道能级是否匹配有关。另外,通过Marcus电子转移理论计算得到的TP染料分子间电子转移速率比EEP染料分子间电子转移速率小一个数量级,表明TP染料的聚集效应较小而EEP染料的聚集效应较大。较大的再生驱动力和较小的染料聚集效应是TP染料敏化太阳能电池效率较高的主要原因,TP染料中的噻吩给电子基团更适合作为吩噻嗪类染料的给电子基团。本文结果可为实验理解染料聚集机理并设计更高效的有机染料分子提供理论线索。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM914.4

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