一类新型光敏剂性质及其对DSSCs性能影响的理论研究

【摘要】本文中我们通过在母本分子的桥链中引入不同数目的缺电子基团(嘧啶基和喹啉基)设计了一系列的新型香豆素染料,并采用密度泛函理论及含时密度泛函理论详细研究了它们的性质。为了提出可信的分子设计方针,我们对比分析了新设计分子与其母本分子的捕光效率,电荷收集效率,电荷注人与染料再生效率。计算结果表明,缺电子的嘧啶基团比喹啉基团更有利于提高染料敏化太阳能电池的性能。同时,增加缺电子基团的数量可以有效地增加染料在短波区域的捕光效率,但是在长波区域的吸收光谱却随着缺电子基团数目的增加而蓝移,最终降低染料分子整体的光学吸收性能。根据以上研究我们认为改变π桥会直接影响DSSCs的光电转换效率。所以,在接下来的工作中我们在传统的具有D-π-A构型的敏化剂分子的π桥上加入一个辅助的电子受体,形成D-A-π-A构型的新型敏化剂分子。通过探索这个辅助的电子受体如何影响DSSCs光电转换效率,我们希望可以为设计新型高效的敏化剂分子提供理论指导和依据。1.提高香豆素类染料敏化太阳能电池效率的有效策略近年来,非金属香豆素类染料敏化太阳能电池(DSSCs)已经引起人们极大的关注。但是此类DSSCs的能量转换效率较低,其主要原因之一是香豆素染料在短波区域内窄而弱的光吸收。本文采用一种有效的策略来提高香豆素在短波区的吸光性能,从而提高DSSCs的能量转换效率,即在母本分子中引入缺电子基团(嘧啶和喹啉)。我们采用密度泛函理论研究了染料分子及染料-二氧化钛复合物的相关性质。结果表明,在染料分子中引入一个缺电子基团后,DSSCs相应的光吸收效率、电子注入效率、电荷收集效率以及染料再生效率都得到了提高。当在染料分子中引入两个缺电子基团时,光敏剂在短波区的吸收光谱发生了红移,吸收强度也有明显增强,但是其在长波区内的吸收光谱发生了明显的蓝移。在染料分子中引入两个嘧啶基团既有利于电荷从染料供体部分转移到受体部分,也有利于电荷的注入；但是在敏化剂分子中引入两个喹啉基团则会产生相反的效果。此外,我们也研究了缺电子基团对染料-二氧化钛复合物性能的影响。虽然缺电子基团可以加强染料与二氧化钛之间的电子耦合强度,但是不会改变电子注入机理(间接注入)。我们希望本文阐述的策略可为提高DSSCs的能量转换效率提供理论指导。2.探究具有D-A-π-A构型的非金属敏化剂的构型与性能之间的关系近二十年内,高效低成本的染料敏化太阳能电池引起了学术与工业领域的极大兴趣。其中,具有D-π-A构型的非金属有机染料也成为主要的研究热点。最近,实验上研究人员在敏化剂分子中引入一个辅助的电子受体,从而形成具有新构型D-A-π-A的高效敏化剂。在本文中,我们采用密度泛函理论和含时密度泛函理论讨论了具有不同吸电子能力的辅助电子受体对染料的光学吸收、电荷分离效率、电子注入及染料再生效率的影响。结果表明,当辅助电子受体的吸电子能力比较强时,吸收光谱会发生红移,分子内的电荷分离效率会降低。但是,当辅助电子受体的吸电子能力比较弱时,吸收光谱则会发生轻微的蓝移,分子内的电荷分离效率会增强。因此,为了平衡染料的吸收与电荷分离性能,最好是选取吸电子能力适中的辅助电子受体。除此之外,随着辅助电子受体吸电子能力的增强,电荷注入效率反而会有所降低,但是染料再生效率却会明显升高。本文的研究结果可以为进一步的分子设计提供可信的理论指导。3.理论设计不同取代基修饰的高效三苯胺类敏化剂近些年,染料敏化太阳能电池(DSSCs)已经引起了广泛的关注,然而到目前为止非金属的有机染料敏化太阳能电池的能量转换效率(η)仍然很低。为了提高DSSCs的效率,不同的吸电子和给电子基团被引入到三苯胺敏化剂分子的供体部分,通过对比讨论各个分子的光学吸收和电荷分离的性能得出最佳的设计方法。文章采用密度泛函理论方法分别计算了三苯胺敏化剂分子的电子光谱信息和电子结构。计算结果表明,给电子基会使光谱红移并产生有效的电荷分离,但是吸电子基团会产生相反的结果。因此,在敏化剂的供体部分引入给电子基团是提高敏化剂性能的一个可行的策略与手段。
【作者】王晶辉；
【导师】何荣幸；
【作者基本信息】西南大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】香豆素；缺电子；电荷转移；能量转换；

【参考文献】
[1]周涛.基于反双曲正弦函数的跟踪微分器[J].控制与决策,2014,06:1139-1142.
[2]李昕.开放量子系统和量子相变系统的几何相位[D].复旦大学,理论物理,2013,博士.
[3]方蕾蕾.汉语电视教学节目分析[D].吉林大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[4]唐乐水.耽美迷群网媒使用中的身份认同研究[D].西南交通大学,传播学,2014,硕士.
[5]花丽.初中语文教学中生态意识的渗透[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[6]张学洋.基于适配体和抗体功能化纳米材料的疾病标记蛋白质分离分析新方法研究[D].复旦大学,分析化学,2013,博士.
[7]薛明珠.新时期农民道德问题的思考[J].高等农业教育,2014,07:97-100.
[8]陈庆瑞.轴向柱塞泵柱塞副油膜特性测试系统研究[D].浙江大学,2008.
[9]蔡立夫.一先天性家族性腕管综合征家系致病基因的初步分析[D].吉林大学,外科学,2014,硕士.
[10]金立,杜志国,石莹,郝雪松,鲁树亮,王国清.石墨烯及其衍生材料在多相催化中的研究进展[J].石油化工,2015,03:389-394.
[11]贾森林.土壤一维水盐运移的双向耦合数值模拟[D].兰州大学,工程力学,2013,硕士.
[12]彭文巧.奥尔夫音乐教学对城市农民工子弟自我与社会认知发展的影响[D].武汉音乐学院,音乐与舞蹈学,2013,硕士.
[13]程士倩.从空间叙事角度看《一位女士的画像》中伊莎贝尔的成长[D].安徽大学,英语语言文学,2014,硕士.
[14]王昌平.三维地震数据可视化的研究与实现[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[15]陈国明.南方雅马哈摩托车有限公司人力资源管理研究[D].湖南大学,工商管理,2003,硕士.
[16]马哲.应用Coh-Metrix3.0对雅思学术型阅读文本进行内容效度的定量性探究[D].首都师范大学,英语语言文学,2014,硕士.
[17]金明宇.大型引水工程梯级泵站优化调度模型研究[D].河海大学,水利水电工程,2004,硕士.
[18]吴栋伟,窦晓波,吴在军,胡敏强,孙纯军,赵波.孤岛模式下基于快速储能投退机制的微电网多源协调控制[J].电力系统自动化,2013,01:174-179+190.
[19]孙文婷.影视教学在对外汉语课堂中的应用[D].西北师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[20]杜文娟,秦川,王海风,鞠平.UPFC控制的交互影响分析——可控参数域计算方法[J].电力系统自动化,2008,07:19-24.
[21]李斌.轴承套圈冷辗工艺和控制技术的研究[D].合肥工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[22]舒海丽.USPIO增强MRI在骨质疏松症的初步实验研究[D].山西医科大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[23]李倩.基于图像处理的路面裂缝识别研究[D].东北大学,模式识别与智能系统,2011,硕士.
[24]宫治军.低碳港口全生命周期评价体系研究[D].大连理工大学,港口、海岸及近海工程,2013,硕士.
[25]王建新.掺杂羟基磷灰石的合成及其结构与吸附性能的表征[D].中国地质大学（北京）,材料工程,2014,硕士.
[26]张震震.基于DSP的视频监控系统的设计[D].太原科技大学,电路与系统,2014,硕士.
[27]刘茂娟.创业板上市公司董事会特征与公司绩效的实证研究[D].西南交通大学,金融学,2014,硕士.
[28]公茂盛.地震动能量衰减规律的研究[D].中国地震局工程力学研究所,防灾减灾工程及防护工程,2002,硕士.
[29]冷敏华.中东欧农地改革背景下的土地细碎化与土地整理研究[D].南京农业大学,土地资源管理,2013,硕士.
[30]马千里,郑秋宝,王顺晃,王尚君.高炉过程机数据处理系统中通信和报表功能的实现[J].冶金自动化,1997,06:41-43.
[31]时学娟.离岸排放污染物迁移扩散的数值模拟研究及其应用[D].天津大学,流体力学,2013,硕士.
[32]宋健,韩京清.最速控制系统的分析与综合[J].自动化学报,1965,03:121-130.
[33]袁晓文.高分辨率熔解曲线分析技术用于乙醇脱氢酶1B和乙醛脱氢酶2基因的快速分型[D].南方医科大学,医学遗传学,2012,硕士.
[34]常畅.小鼠脑中基因调控网络的构建及功能分析[D].华东师范大学,生物医学,2011,硕士.
[35]李瑞华.宽带反射阵天线的研究与设计[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[36]徐璐.长沙市慈善捐赠机制研究[D].湖南师范大学,社会保障,2013,硕士.
[37]王琪.近接溶腔对隧道围岩稳定性影响及防治措施研究[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[38]张聪.论油画画面肌理的视觉美感[D].吉林大学,美术,2014,硕士.
[39]金雪菲.丁香假单胞菌Harpin蛋白诱导烟草抗野火病活性研究[D].吉林农业大学,植物保护,2012,硕士.
[40]唐丽.国际卡特尔及其对发展中国家对外贸易的影响研究[D].天津财经学院,国际贸易学,2004,硕士.
[41]郭军霞.高血压左室肥厚ACE/DD基因型与MYH7、MYBPC3突变关系的研究[D].山东大学,内科学,2013,硕士.
[42]林霞.Shh与Gli2在喉鳞状细胞癌组织中的表达及相关性研究[D].福建医科大学,耳鼻咽喉科学,2014,硕士.
[43]贾全.拖拉机自动导航系统关键技术研究[D].中国农业机械化科学研究院,机械设计及理论,2013,硕士.
[44]郑逸.汉语词典中颜色词的释义优化[D].四川外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[45]张红红,张硕.北京郊区山地别墅区形态设计研究[J].华中建筑,2014,12:133-137.
[46]董晓安.科技型中小企业知识产权质押融资影响因素研究[D].浙江工业大学,2012.
[47]付晨.石家庄电信培训考试系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[48]谭鸿明.小鼠2-细胞胚胎玻璃化冷冻保存技术的研究[D].中国农业大学,动物遗传育种与繁殖学,2004,硕士.
[49]关新平,罗小元,刘奕昌,段广仁.非线性扰动不确定时滞系统时滞相关鲁棒观测器设计[J].自动化学报,2002,02:290-295.
[50]赵谦平.延长石油研究院天然气研究所技术岗位绩效考核体系设计研究[D].西北大学,高级工商管理（EMBA）（专业学位）,2014,硕士.