收藏本站
收藏 | 论文排版

理论研究—染料敏化太阳能电池体系光谱性质以及高效吸收染料分子的设计

陈杰  
【摘要】:染料敏化太阳能电池具有良好的光学性质,不但有很高的光电转化效率,同时兼具良好的热稳定性、低成本、制备简单等突出的优点,已经被作为传统能源的替代品,特别广泛地应用于机械、仿生、航天等领域,有望成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。通过近二十年的研究与优化改良,染料敏化太阳能电池的实验室效率已经超过了11%。因此,对于染料敏化太阳能电池体系实验和理论研究一直以来是学术界的前沿热点,实验上主要关注于电池材料效率的提高,包括染料分子的设计和器件的制作;而理论上对于分子结构和光电性质的分析和模拟更加感兴趣。 本论文对一类以过渡金属Ru配合物作为染料敏化分子的太阳能电池体系作了系统的研究,得到了染料分子单体以及染料分子吸附在二氧化钛晶体之后的异质界面几何构型,电子结构和光谱性质.通过对以上诸方面的深入探索,拓宽了调控染料分子自身吸收光谱性质的操作空间并深入了对于涉及异质界面吸附模型的认识。全文共分为七章:第一章为前言,概述了染料敏化太阳能电池材料体系工作原理、影响电池效率的因素,以及当前实验和理论研究在此方向的研究进展和本文研究的理论意义;第二章为本研究涉及到的理论方法和技术细节;第三章至第五章对几类染料分子光电性质的理论研究;第六章和七章研究染料敏化太阳能电池中染料和二氧化钛晶体之间异质界面的几何和电子结构性质,进一步探讨提升电池效率的调控窗口。具体研究内容介绍如下: 1.由于含不同的杂环的钌敏化剂拥有较母体N3更高的光电转换效率和更低的电荷重组能,此类物质被广泛设计和合成。正因如此,基本结构为Ru (辅助配体) (附着配体)的敏化分子引起了科研工作者的很大兴趣,其中C101和J13比较具有代表性。通过模拟不同质子化程度的敏化分子的吸收光谱性质来模拟不同pH值下的染料分子的吸收性能。应用密度泛函和含时密度泛函分别研究基态和激发态几何结构,并对电子结构和光谱性质进行计算研究。所有化合物在乙腈溶液中的吸收和发射光谱都是使用B3LYP泛函进行预测。计算结构表明,辅助配体对于分子整体的能级分布和吸收光谱有很大贡献。值得注意的是,作为修饰的而连接在辅助配体的噻吩基团可以有效的提高染料分子在380–450 nm范围内的吸收强度。尽管去质子化可以使染料分子的整体前线轨道不稳定,但是对于非占据轨道的影响要更大。因此随着去质子程度的加剧,吸收和发射都呈现出蓝移。最终,得到C101和J13最优去质子化程度。我们对染料分子的结构和光谱加以分析,期望能够获得更高效的染料敏化分子,并且让人们在对于染料敏化太阳能电池体系的效率有更全面的认知。 2.本文在理论上设计了一系列染料敏化分子。把唑和其类似物作为修饰基团引入N3的辅助配体上,以期使N3具有更符合DSSC应用要求的光电性质。根据密度泛函理论(DFT)计算,含有1, 2, 4-三唑基团的敏化分子在可见光区具有强吸收带,可见辅助配体对于分子轨道和吸收光谱是有决定性的影响。另外,配体去质子化程度不仅能影响具体的前线轨道分布,而且能控制HOMO和LUMO之间的能隙以及LUMO和LUMO+1的能级差。如果LUMO和LUMO+1的的能级差足够小,那么就有望获得具有更宽阔的吸收谱带的染料分子。 3.我们一直致力于提高AR20在可见区域的光吸收强度的研究工作。密度泛函理论的方法也被应用于探索AR20和它的衍生物的电子结构性质的研究中。TDDFT的结果暗示了辅助配体控制着分子轨道能级并决定了吸收跃迁的类型。敏化分子的去质子化作用不仅影响了分子轨道能级的分布,还决定了LUMO-HOMO和LUMO-LUMO+1的能量差。将噻吩基团引入到辅助配体中的行为,能增强染料敏化太阳能电池(DSSC)的效率。噻吩取代的AR20衍生物的吸收强度与周围环境的变化有关,如pH值。这个特殊的性质预示了噻吩修饰的AR20衍生物可能在DSSC的实际应用中发挥良好的作用。 4.光激发后,电子由染料敏化分子注入二氧化钛纳米晶体导带的电荷转移过程决定着DSSC光电转化效率的高低。通过设计的合理二氧化钛表面模型(取自锐钛矿的101表面和取自金红石的110表面),借助DFT方法深入探究了C101,J13,N749等在不同吸附模型下的光谱性质。根据计算,我们获得了详细的轨道能级分布和吸收跃迁特征,进而可以很细致的确认激发态快速电子注入或发射机制。一般来说,不同的二氧化钛的表面模型和敏化分子自身的去质子化程度可以对体系的吸收光谱产生深远的影响。我们的计算表明提高共轭染料分子的共轭性质,可以强化可见光区乃至红外区域的吸收强度,提高对太阳能的利用率,进而提升DSSC的总观光电转化效率。 5.基于染料敏化分子N749的DSSC在长波长范围内有出色的光电转化效率。基于二氧化钛(101)表面模型和N749与二氧化钛薄膜之间不同的连接类型的合理设计,我们在理论上成功模拟了吸附体系宏观光谱性质。采用TDDFT方法得到前线分子轨道能量分布和吸收光谱与实验吸收峰形和特征吻合。当前的研究表明,染料分子和二氧化钛晶体之间的异质界面的微观构型直接影响最终DSSC的宏观光电转化效率。DSSC中的电子注入方式可以通过激发过程中电荷转移的结果加以区别。此外,染料分子去质子化的程度也强烈影响着吸收光谱的具体形态。结果表明,高效的染料敏化太阳能电池应含有低能量、密集、易于部分轨道耦合的非占据分子轨道。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 胡智学;钱鸣毅;;染料敏化纳米薄膜太阳电池的研究进展[J];化学工程师;2007年12期
2 鲁厚芳,闫康平,涂铭旌;光敏染料在Gr(a|¨)tzel型太阳能电池上的应用及其研究进展[J];化学试剂;2005年01期
3 余启名,柳闽生,余淑娴,张康华;敏化纳米晶TiO_2太阳电池的光电转换研究[J];江西化工;2004年03期
4 郝秀红;非蚀刻径迹显示方法[J];核技术;1985年04期
5 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
6 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
7 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
8 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
9 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
10 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
11 刘西德;李修善;;橡胶表面化学镀镍[J];应用化学;2006年01期
12 黄昀昉,吴季怀;高效染料纳晶太阳能电池[J];化工新型材料;2000年09期
13 黄昀昉,吴季怀;高效染料纳米晶太阳能电池[J];材料导报;2000年08期
14 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
15 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
16 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
17 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
18 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
19 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
20 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
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王晶辉;何荣幸;齐丹;;锌卟啉敏化太阳能电池性能:从头算非绝热动力学研究[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
2 李冬梅;罗艳红;孟庆波;;量子点敏化太阳能电池--新材料的设计、制备及器件研究[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
3 刘铭;杨君友;冯双龙;朱虎;;量子点敏化太阳能电池研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
4 王参;于哲勋;李冬梅;罗艳红;孟庆波;;准固态电解质在量子点敏化太阳能电池中的应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
5 胡星;张全新;黄小铭;李冬梅;罗艳红;孟庆波;;CuInS_2量子点的水相合成及其在敏化太阳能电池中的应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
6 孙惠成;罗艳红;李冬梅;孟庆波;;金属硫化物对电极在敏化太阳能电池中的应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
7 张全新;李冬梅;罗艳红;孟庆波;;高效CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
8 宋金生;张凡;薄志山;;炔苯基桥联的D-π-A型染料的合成及其在敏化太阳能电池中的应用[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2009年
9 欧阳;;肌筋膜痛综合症脊髓节段性敏化治疗方法[A];2011年浙江省物理医学与康复学学术年会暨康复新进展学习班论文汇编[C];2011年
10 李向清;常婷;刘利芳;穆劲;;结合方式对卟啉敏化的TiO_2光催化剂性能的影响[A];上海市化学化工学会2009年度学术年会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈杰;理论研究—染料敏化太阳能电池体系光谱性质以及高效吸收染料分子的设计[D];吉林大学;2012年
2 詹卫伸;染料敏化太阳能电池有机光敏分子的理论研究[D];大连理工大学;2010年
3 舒婷;量子点敏化太阳能电池结构调控与性能优化[D];华中科技大学;2012年
4 朱光;敏化太阳能电池光阳极和对电极的制备与研究[D];华东师范大学;2012年
5 李玲;改性纳米TiO_2及硫电解液用于敏化太阳能电池的研究[D];大连理工大学;2011年
6 宋鑫;量子点敏化太阳能电池:制备及光电转换性能的改进[D];天津大学;2010年
7 贺锦香;基于联噻唑和芳胺类染料的敏化太阳能电池[D];华东理工大学;2013年
8 马蓓蓓;量子点的界面修饰与敏化及其光伏特性的研究[D];清华大学;2012年
9 曾涛;量子点敏化TiO_2基纳米结构太阳能电池制备与表征[D];武汉理工大学;2011年
10 苗青青;新型高效叠层及复合染料敏化太阳能电池研究[D];大连理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐丹;敏化太阳能电池中染料的合成研究[D];郑州大学;2010年
2 罗培辉;天然染料敏化太阳能电池的研究[D];黑龙江大学;2010年
3 朱静燕;金属酞菁敏化太阳能电池性能研究[D];江苏科技大学;2011年
4 左志鹏;敏化太阳能电池的性能研究[D];广东工业大学;2013年
5 王沛;纳米FeS_2的液相法制备及其对TiO_2敏化的研究[D];浙江大学;2003年
6 王菁;量子点敏化及磁场作用下染料敏化太阳能电池光电性能的研究[D];天津理工大学;2012年
7 石永博;含大体积的联吡啶钌基染料分子的合成及其光伏性能研究[D];天津理工大学;2013年
8 赵爱婷;三芳基咪唑的富勒烯衍生物的合成及其在CdSe量子点太阳能电池的应用[D];华南理工大学;2010年
9 彭卓寅;CuInS_2量子点敏化钛酸纳米带薄膜的制备、表征与物性研究[D];武汉理工大学;2011年
10 任园女;锌基染料敏化太阳能电池及大面积化研制[D];北京化工大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 杨东;光纤也能变身太阳能电池[N];中国煤炭报;2009年
2 黄女瑛 DigiTimes;太阳能厂跨洋吸金 几家欢乐几家愁[N];电子资讯时报;2007年
3 记者  郭云飞 通讯员  张世平;太阳能电池级多晶硅光伏项目落户益阳[N];湖南日报;2006年
4 詹铃;涉足太阳能光伏产业公司一览[N];21世纪经济报道;2006年
5 杨先碧;依靠太阳能的家庭[N];学习时报;2007年
6 天同证券 张锐;G风帆 太阳能电池新贵[N];证券时报;2006年
7 本报记者 翁海华;PE“新锐”王刚:太阳能行业的坚定支持派[N];21世纪经济报道;2007年
8 记者 张国伟;行者集团利用太阳能获新突破[N];中国贸易报;2008年
9 无暇;太阳能电池面临出口为主的尴尬[N];中国经济导报;2008年
10 本报记者王颖春 采写;邱第明:中国最早太阳能企业的跌宕起伏[N];中国经济导报;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978