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两种染料分子内电荷转移的理论研究

张旭红  
【摘要】:近几十年来,随着人类社会的发展,能源的需求在日益加大。同时,传统的天然能源,如天然气、石油和煤等在地球上的储存量却在逐渐减少,因而,寻求新能源是目前人们所关注的焦点。其中,太阳能以其资源丰富和无污染等优势得到了人们的青睐。人们已经把目光投向了太阳能电池的开发和利用。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs)以其制造成本低廉、加工工艺简单、稳定性较高、具有很好的开发前景等优势引起了人们的广泛关注。 染料敏化太阳能电池的核心部分即染料敏化剂分子,它吸收太阳光而被激发产生光电子并将光电子传递到TiO2导带(CB)上。染料分子被激发后产生电子-空穴对,电子和空穴分离后,以不同的方向在闭合回路中流动,产生电流,完成光电转换。染料敏化太阳能电池的光电转换效率很大程度上受到染料敏化剂性能的影响。 本文以两种有机染料作为研究对象,染料分子PCDTBT以咔唑基团为电子给体(donor)和噻吩基苯并噻二唑基团为电子受体(acceptor);而染料分子9-蒽羧酸基轴向双取代硅酞菁则以9-蒽羧酸基团为电子给体、以硅酞菁为电子受体。理论研究中,我们采用量子化学的方法。运用含时密度泛函(TimeDependent-Density Functional Theory,DFT)理论中的TD-DFT/B3LYP/6-31G(d)参数对激发态性质进行计算。分别列出两个分子的已占有电子的能级最高轨道(HOMO)和未占有电子的能级最低轨道(LUMO)。染料分子PCDTBT吸收光谱的两个主要峰值614.90nm和395.00nm,分别是两轨道HOMO→LUMO和HOMO→LUMO+1电子跃迁的结果;染料分子9-蒽羧酸基轴向双取代硅酞菁吸收光谱的两主要波峰值659.92nm和653.34nm,分别是两轨道HOMO-2→LUMO和HOMO-2→LUMO+1电子跃迁的结果。利用三维实空间分析方法(3D)将染料分子的电荷转移特性可视化,包括:跃迁密度和电荷差异密度。利用二维(2D)实空间方法来分析电子-空穴相干性。


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