理论设计新型染料分子以改善染料敏化太阳能电池性能

【摘要】染料敏化太阳电池由于具有成本低廉、染料易合成以及转换效率高等优点，最近这些年备受关注。尽管自从它的出现到现在已经取得重大的进步，但是现在基于金属钌配合物制成的染料敏化太阳能电池的效率仅仅达到12%左右。最近，作为钌染料替代物的非金属或自然染料受到了更大的关注，主要由于他们更加地环保。虽然基于非金属有机光敏染料的染料敏化太阳电池的能量转换效率略低于或等于基于金属钌配合物的染料敏化太阳电池，但是它们仍可以被认为是新一代的电池材料。最近这些年，染料敏化太阳能电池的性能在实验和理论上都得到了较大的提升，据报道有机染料敏化太阳能电池的效率已经达到了9.8%。可是仍然有很大的空间提升他们的效率。为了使染料敏化太阳能电池的效率得到提升，选择合适的染料分子是非常重要的。量子化学方法的完善（特别是密度泛函理论和含时密度泛函理论）和现代快速发展的计算机科技为合理的评价和设计有机染料分子开启了大门。在这篇论文里，我们基于理论的方法设计了一些应用于染料敏化太阳能电池的有机染料。本文一共分为四章，第一章为前言，太阳能电池的概述并简单介绍了一下染料敏化太阳能电池；第二章为基础理论方法，主要介绍了分子轨道理论、电子相关作用、微扰理论、密度泛函理论、电子激发理论、基组的选择、吸收光谱。第三章和第四章，为正文部分，主要讲述了我们设计的一些有机染料分子，具体研究的内容如下：1.基于染料V5，我们使用理论方法设计了3种非金属有机染料，分别命名为DPPB、DPPS、DPPO。我们对这些染料的几何结构、基态和激发态电子结构、偶极距进行了研究。计算结果表明，在染料DPPO分子桥和电子受体之间的准共轭平面加速了电荷从电子给体向电子受体的迁移，因此提高了以它为材料的电池的效率。和V5染料相比，我们设计的染料分子拥有更小的HOMO-LUMO能量差、更宽和向红偏移的吸收光谱。考虑到半导体导带的迁移对开路电压的影响，我们所设计的染料将会拥有比V5更大的开路电压。希望我们目前的研究能够为了解和设计高效率的染料提供新的视角。2.利用DFT和TDDFT方法，根据染料YD2-o-C8我们设计了3种含不同电子受体的卟啉染料，电子受体分别为羧酸、氰基羧酸、氰基肟酸。和染料YD2-o-C8相比，我们所设计的染料拥有更小的HOMO-LUMO能带差、更宽更强的吸收Q带。染料Dye2和Dye3与TiO2的耦合作用比染料YD2-o-C8强，而染料Dye1与TiO2耦合作用的强度近似等于YD2-o-C8与TiO2耦合作用的强度。此外，染料Dye2和Dye3电子注入到TiO2的速度都快于YD2-o-C8。以上结论表明，我们设计的染料尤其是Dye2和Dye3将会比YD2-o-C8拥有更好的效率。此外还能够得出氰基肟酸是一个比较有前景的电子受体。希望我们的研究能够为设计新型有效的卟啉染料提供理论基础。
【作者】王成龙；
【导师】张红星；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】染料敏化太阳电池；有机染料；密度泛函理论；含时密度泛函理论；

【参考文献】
[1]吴传金.稀油密封干式储气柜仪表设计的几项改进措施[J].冶金自动化,1990,03:55-56.
[2]龙群梅.深化税制改革研究[D].湖南农业大学,农业经济管理,2003,硕士.
[3]汪隆君,王钢,李博.交直流混联输电系统充裕度评估的最优负荷削减模型[J].电力系统自动化,2011,07:7-12.
[4]尹浩.基于光纤传感技术的液化石油气运输槽罐泄漏检测关键技术研究[D].安徽大学,光学,2014,硕士.
[5]宋维琪,董长安,李泌.一种提高视电阻率曲线分辨率的方法[J].石油地球物理勘探,1999,04:426-429+441-490.
[6]陈菲.复方熊胆胶囊的工艺和质量标准研究[D].北京中医药大学,中药化学,2014,硕士.
[7]黄毅.基于反求技术的人工膝关节模具设计及力学分析[D].广西科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[8]闫杰.动力作用下含弱面斜坡破坏实验研究[D].辽宁工程技术大学,固体力学,2012,硕士.
[9]周亚静.薄膜扩散梯度技术预测铅对川丁鱼生物有效性的研究[D].东北大学,物理化学,2011,硕士.
[10]李晓杰.食品微生物自动检测系统的光学显微镜自动调焦技术研究[D].吉林大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[11]徐艳.重庆缙云山竹蝗生物学和感觉器与精子超微结构的研究[D].西南农业大学,农业昆虫与害虫防治,2004,硕士.
[12]刘丹.基于CAN总线的变电站综合自动化[D].辽宁工程技术大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[13]高驰.教师反馈对大学英语写作影响的研究[D].渤海大学,课程与教学论,2014,硕士.
[14]吴一鹏.论传媒集团资源整合与管理[D].湖南师范大学,教育经济与管理,2004,硕士.
[15]吴东红.平等对话 体验过程[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[16]王刚.术前心理护理干预对促进食道癌患者恢复的影响[D].吉林大学,社会医学与卫生事业管理,2013,硕士.
[17]陈聪.视神经脊髓炎患者脑部结构和功能的高场和超高场磁共振成像研究[D].北京协和医学院,影像医学与核医学,2014,博士.
[18]丁丽娜.公司治理对装备制造业R&D投入与企业绩效的调节作用研究[D].哈尔滨工业大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[19]施洋.我国旅游企业导游员在职培训研究[D].北京交通大学,2013.
[20]李军才,张会林,李角群.GPS在露天矿山边坡变形监测中的应用[J].有色金属(矿山部分).2003(05)
[21]于淼.基于SPCE061A的机器人语音识别设计[D].东北石油大学,控制工程（专业学位）,2013,硕士.
[22]褚佳.蒙古国留学生中级汉语词语搭配偏误分析及其对策研究[D].内蒙古师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[23]史华峰.“没骨山水”画风初探[D].山西师范大学,美术学,2013,硕士.
[24]裴俊厚,周广德,刘建湖.船用玻璃钢接头的应力分析[J].舰船科学技术.1993(06)
[25]刘燕德.水果糖度和酸度的近红外光谱无损检测研究[D].浙江大学,2006.
[26]陈文铎.10-羟基喜树碱—腺病毒衍生物的合成及抗肿瘤活性研究[D].浙江理工大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[27]田燕.北朝关中地区造像碑艺术中的文化多元性探讨[D].苏州大学,艺术设计,2012,硕士.
[28]宋雪梅.5kVA单相高频软开关航空静止变流器模块并联系统的研究[D].西北工业大学,电工理论与新技术,2004,硕士.
[29]银美霞.深化县级财政国库管理改革的研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[30]宋路超.高烈度地区高层钢结构办公楼设计研究[D].西安建筑科技大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[31]李庆明.反点排列对Zigzag边界石墨烯纳米带的电子输运性质的影响[D].河北师范大学,2011.
[32]王玉坤.基于KMV模型的违约点修正和实证研究[D].大连理工大学,会计学,2013,硕士.
[33]于泽.基于乳酸菌自身分泌蛋白的组成型强启动子探测及功能分析[D].东北农业大学,预防兽医学,2013,硕士.
[34]赵柠.运用PMO提升内部控制能力成熟度的研究[D].吉林大学,会计,2013,硕士.
[35]曹蕊.供气式低压射流曝气器与微孔曝气器性能的研究[D].陕西科技大学,环境工程,2013,硕士.
[36]滕兴乐.企业团队激励模式研究[D].中国农业大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[37]周睿.论物业服务合同履行中的抗辩权的行使与限制[D].湖南师范大学,民商法学,2014,硕士.
[38]邱晓沛,张洪,蒋天伦,罗阳.双链特异性核酸酶的生物学和医学应用[J].化学进展,2014,11:1840-1848.
[39]于振海.2010年亚洲U19男子足球锦标赛中国队跑动特征分析[D].东北师范大学,体育（专业学位）,2012,硕士.
[40]王文瑞,蒋继强,杨建中.宝钢不锈钢分公司产销系统(上)[J].冶金自动化,2007,06:1-5.
[41]刘建.基于ANFIS控制器的70DB变频调速自动送钻控制系统研究[D].兰州理工大学,机械工程,2013,硕士.
[42]项莹.中国文化产业国际竞争力与文化贸易的政策选择[D].浙江大学,2007.
[43]林银芳.DVB-C中载波同步的算法研究及其芯片实现[D].浙江大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[44]钟家桢,娄兴殿,刘希和.线材轧机断线自动停车控制器[J].冶金自动化,1994,01:47.
[45]陈卓.吕坤道论思想探析[D].陕西师范大学,马克思主义哲学,2004,硕士.
[46]马明成.广州市非法营运问题治理研究[D].长安大学,行政管理,2013,硕士.
[47]皮埃尔L·古皮劳德.连续震动法的信号设计[J].石油地球物理勘探,1976,S1:12-13.
[48]任荣.内容挖掘──考研英语写作的突破点[J].淮北煤师院学报(哲学社会科学版),2001,Z1:149-150+153.
[49]方明.直接激光烧结微孔铜镜研究[D].华中科技大学,物理电子学,2013,硕士.
[50]蔡岳峰.基于流媒体的多声道音频播放器设计与实现[D].华中科技大学,计算技术,2013,硕士.