染料敏化太阳能电池有机光敏分子的理论研究
【摘要】:
自从20年前发明染料敏化太阳能电池(DSSC)以来,研究人员一直在寻找性能优良的光敏剂用于DSSC,以期改善DSSC的光电性能,提高光电能量转换效率。为了降低DSSC的成本,最近几年研究者们开始关注使用非金属有机光敏剂染料来代替贵金属配合物。经过多年的探索,目前已经认识到适合于高效率DSSC的非金属有机光敏剂分子应该具有“电子给体—共轭桥—电子受体(D—π—A)”型分子结构。
目前已经合成了多种D—π—A型非金属有机光敏剂,并用于敏化DSSC,使DSSC光电能量转换效率逐步提高。但目前DSSC的光电能量转换效率仍然不到10%,还远没有达到大规模工业化生产的地步。主要问题是:染料分子的吸收光谱位于紫外—可见光光谱的短波区,不能充分利用太阳能;由染料激发态向TiO2电极的电荷转移效率较低。合成吸收光谱明显红移的有机染料光敏剂,是目前DSSC研究的迫切任务。
由于有机分子结构的多样性,通过分子修饰有可能调整分子的光物理和电化学特性,使之适合于敏化DSSC。在尝试合成染料分子前,如果能够在理论上通过对分子进行修饰并预言其性能而设计新分子,将是非常经济和快捷的方法。本文通过对目前合成的几类染料分子的DFT/TDDFT模拟计算,并与实验结果进行比较,寻找影响DSSC光电性能和光电能量转换效率的光敏剂分子的关键指标;以这些指标为依据,对目前已经合成的两种染料分子进行修饰,从中挑选出性能优良的敏化DSSC的有机分子,为进一步合成高效率非金属有机染料分子提供参考。
通过对二氢吲哚类、多烯类和呋喃类染料分子的DFT/TDDFT模拟计算,并与实验结果比较发现,染料分子的HOMO和LUMO能级,吸收光谱以及摩尔吸光系数是决定DSSC性能的关键因素。
通过增加共轭桥(次甲基链、噻吩环、呋喃环)的DFT/TDDFT计算表明,共轭桥的增长,确实能引起分子吸收光谱的红移。但计算结果也表明,共轭桥不宜太长,以1个单元为合适,不宜超过2个单元。
通过在染料D5分子骨架上的不同部位引入不同的给电子基(-OH,-NH2,-OCH3)和受电子基(-CF3,-F,-CN),设计54种D5同类物分子。通过DFT/TDDFT模拟计算这些分子的几何结构、吸收光谱,以及能级结构,从中筛选出两种分子,由其敏化的DSSC的性能可能优于D5分子。同样,对含呋喃染料F1的分子修饰也筛选出两种分子的性能可能优于染料F1分子。这为进一步合成高效的DSSC光敏剂提供了理论参考。
|
|
|
|
1 |
郝秀红;非蚀刻径迹显示方法[J];核技术;1985年04期 |
2 |
岳杰兰,张国礼,单芳;SUS304L耐腐蚀性的研究[J];山西冶金;1999年04期 |
3 |
王平;四种敏化方式对乳化炸药爆速的影响[J];煤矿爆破;2002年02期 |
4 |
康志敏,郝彦忠,王庆飞,童汝亭,李军锁;聚吡咯敏化纳米结构TiO_2电极的光电化学研究[J];功能材料;2004年02期 |
5 |
惠君明,刘祖亮,吕春绪;硝酸铵的一种敏化技术[J];爆炸与冲击;1996年02期 |
6 |
王胜震;快速发泡敏化三级煤矿许用乳化炸药研究[J];煤矿爆破;1998年03期 |
7 |
景俊海,孙青;Hg敏化光CVD SiO_2薄膜最佳工艺条件的研究[J];材料研究学报;1991年02期 |
8 |
刘西德;李修善;;橡胶表面化学镀镍[J];应用化学;2006年01期 |
9 |
郭子如,黄文尧,胡企强,张金城;无梯粉状硝铵炸药的敏化研究[J];淮南工业学院学报(自然科学版);1996年04期 |
10 |
周向群,朱向祥;化学发泡敏化机中搅拌器结构的研究[J];煤矿爆破;1998年02期 |
11 |
王自军,黄存建;几种乳化炸药敏化方式的比较[J];煤矿爆破;1999年01期 |
12 |
姜勇;巩建鸣;李峰;;敏化对304L不锈钢在高温NaOH溶液中应力腐蚀开裂的影响[J];机械工程材料;2010年02期 |
13 |
张胜寒;贾伟;郭彦磊;冯玲;;304不锈钢晶间腐蚀的研究[J];汽轮机技术;2011年03期 |
14 |
景俊海,孙青,付俊兴,孙建成;低温 Hg 敏化光化学气相淀积 Si_3N_4薄膜[J];材料研究学报;1991年03期 |
15 |
郭房庆,顾瑞琦;小麦萌发种子辐射损伤的热敏化效应[J];辐射研究与辐射工艺学报;1994年03期 |
16 |
杜天保,杨迈之,陈慎豪,陈利,曹楚南;在酸性介质中敏化1Cr18Ni9Ti不锈钢钝化膜的光电化学研究[J];腐蚀科学与防护技术;1996年03期 |
17 |
赵逸云,周骏,冯若,王利勤;化学沉积法制备粉末状Cu/Al_2O_3复合材料——Ⅰ敏化、活化工艺的研究[J];云南大学学报(自然科学版);1998年S3期 |
18 |
孙玉华;乳化炸药H发泡剂气泡敏化技术[J];煤矿爆破;1998年04期 |
19 |
刘西德,崔培英;普通陶器材料化学镀镍技术[J];曲阜师范大学学报(自然科学版);2005年04期 |
20 |
傅向民;罗杰英;王雷;高仲;马铁钢;;RFCC波形膨胀节腐蚀成因及对策[J];压力容器;2006年07期 |
|