有机太阳能电池中有机分子的光谱和电荷转移的理论研究

摘要

煤、石油、天然气等不可再生资源的过量开采和使用，引起了能源危机的和环境污染，成为当今世界亟待解决的两大问题，激励着人们去寻找新的能源。太阳与我们的日常生活息息相关，地球上的生物几乎都要依靠太阳来生存，太阳能几乎是地球上一切能源的总源头，而且太阳能清洁无污染，几乎取之不尽、用之不竭，合理开发利用太阳能，为解决这两大问题提供了可能。太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置，是利用太阳能的一个重要途径。太阳能电池可简单分为无机太阳能电池和有机太阳能电池。与传统的无机材料相比，有机太阳能电池的原料来源广泛，易于加工，质轻廉价，越来越受到人们的重视。
　　有机太阳能电池的核心就是其中的光诱导电荷转移过程。当光照射在有机太阳能的给体分子上，给体分子被激发，处于激发态的给体分子将电子注入到受体分子，产生电流。从微观上来研究这一过程，对进一步认识太阳能电池的工作原理，优化太阳能电池的结构，提高太阳能电池的效率，设计高效的太阳能电池，具有一定的指导意义。因此本论文就以有机染料敏化太阳能电池和有机聚合物太阳能电池为例，从理论上研究了有机分子的结构，光谱和其中的电荷转移过程。具体而言，本论文分两部分，前半部分简单介绍光谱和光诱导电荷转移的基本原理和计算方法;后半部分分别以3-己基噻吩聚合物(P3HT)和新合成的两种双加成碳70富勒烯衍生物分子bisPC71BM作为聚合物太阳能电池的例子，以香豆素C343和D1421分子吸附在二氧化钛表面上作为染料敏化太阳能电池的例子，研究了有机分子的光谱性质及其中的电荷转移过程。得到的结论如下:
　　1、对作为有机聚合物太阳能电池受体材料的bisPC71BM的两种异构体来说，尽管它们的红外光谱、紫外可见吸收光谱、循环伏安曲线几乎一样，但是由于它们在晶体中的排列方式不同，导致电子耦合强度和重组能不同，进而引起迁移率不同。随着聚合链的增长，给体分子P3HT对光的吸收强度增大，而且电子吸收光谱出现红移，链的增长有利于对太阳光的吸收。在P3HT-bisPC71BM体系中，通过计算电子转移过程中的参数重组能、电子耦合强度、驱动力，根据Marcus公式估算了电子转移的速率。如果将烷基链己基用甲基代替，吸收光谱发生红移，最大吸收峰的强度略有增加，单从对光吸收的角度考虑，甲基比己基好。电子耦合强度的计算表明，甲基代替己基，会使聚合物与富勒烯衍生物间的耦合强度减小，从而降低电荷转移速率。
　　2、通过对香豆素C343分子12种异构体的研究发现，由久洛利定(julolidine)环异构体引起的性质差异较小，由羧基异构体引起的性质差异较大。不含分子内氢键的异构体的电离能低于有分子内氢键的异构体，表明前者更有利于将电子注入到半导体导带中;与真空中计算值相比，在甲醇溶液中的电离能降低了大约1.6-1.8eV，这将有利于电子注入。对计算模拟得到的纯电子吸收光谱而言，与真空中相比，中性分子和去质子化阴离子在甲醇溶液中的光谱分别出现了红移和蓝移，而且吸收强度都明显增大。
　　3、我们对香豆素C343和D1421分子吸附在二氧化钛表面的吸附模式进行了研究，结果表明，双齿螯合（羧基中两羰基氧原子与二氧化钛表面的一个钛原子配位，或者香豆素环上羰基氧原子和羧基中的一个氧原子与二氧化钛表而的一个钛原子配位）结构和单齿羧酸酯结构能量较低，相对稳定。通过对C343-TiO2体系中电子转移过程的研究，这三种异构体中电子注入速率都在1012s-1数量级，与实验值一致。D1421-TiO2体系中尽管二乙胺基在激发态可以发生扭转，形成扭转的分子内电荷转移态，耦合强度增大，但由于驱动力变小，重组能变大（重组能大于驱动力），电子注入速率略低。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光诱导电荷转移

1．2 太阳能电池简介

1．2．1 有机聚合物太阳能电池

1．2．2 有机染料敏化太阳能电池

1．2．3 太阳能电池的性能指标

1．3 拟开展的工作

参考文献

第二章 光谱的基本理论及计算方法

2．1 前言

2．2 光物理基元过程

2．3 吸收、发射和拉曼光谱

2．4 振动分辨光谱的计算方法

参考文献

第三章 电子转移的基本理论及计算方法

3．1 电子转移反应的基本理论模型

3．1．1 Marcus经典模型

3．1．2 Marcus半经典模型

3．1．3 量子力学模型

3．2 电子转移各参数的计算方法

3．2．1 内重组能的计算方法

3．2．2 电子耦合强度的计算方法

参考文献

第四章 bisPC71BM异构体的结构、光谱和电荷转移性质的理论研究

4．1 引言

4．2 量化计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 bisPC71BM几何结构

4．3．2 bisPC71BM的红外光谱

4．3．3 bisPC71BM的HOMO与LUMO能级

4．3．4 bisPC71BM的电子吸收光谱

4．3．5 bisPC71BM中的电子迁移率

4．3．6 P3HT的几何结构、红外光谱和电子吸收光谱

4．3．7 P3HT与bisPC71BM之间的电子转移

4．4 结论

参考文献

第五章 香豆素343分子异构体的电子吸收、发射和共振拉曼光谱的理论研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 几何结构

5．3．2 光谱性质

5．4 结论

参考文献

第六章 香豆素C343和D1421分子吸附在TiO2表面上电子转移的理论研究

6．1 前言

6．2 计算方法

6．2．1 量子化学计算方法

6．2．2 电子转移速率的计算方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 C343-Ti9O18体系的几何结构

6．3．2 C343-Ti9O18体系的电子吸收光谱

6．3．3 C343-Ti9O18体系的拉曼光谱

6．3．4 C343-Ti9O18体系的电子转移速率

6．3．5 D1421-Ti9O18体系的几何结构

6．3．6 D1421-Ti9O18体系的电子转移速率

6．4 结论

参考文献

总结与展望

攻读博士期间发表的论文

致谢