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含中氮茚有机太阳能电池染料敏化剂的分子设计

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物理化学学报 2015年第8期31卷 1504-1512页

作者：侯丽梅温智李银祥胡华友阚玉和苏忠民延边大学理学院化学系吉林延吉133002 江苏省低维材料化学重点建设实验室淮阴师范学院化学化工学院江苏淮安223300 东北师范大学化学学院功能材料化学研究所长春130024

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了9个新的中氮茚[3,4,5-ab]异吲哚(INI)为给体的染料敏化剂性质.对影响电池效率的光捕获效率、电子注入、染料再生和电荷复合等重要因素与D5和D9染料进行了对比.计算表明,设计... 详细信息

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了9个新的中氮茚[3,4,5-ab]异吲哚(INI)为给体的染料敏化剂性质.对影响电池效率的光捕获效率、电子注入、染料再生和电荷复合等重要因素与D5和D9染料进行了对比.计算表明,设计的INI系列敏化剂在440–500 nm内有最大吸收峰,表现出明显的电荷分离特征,INI2具有比D9染料更高的最大理论短路电流.Fukui反应指数计算指出INI2的亲核加成最易实现.染料分子在二氧化钛(101)面吸附计算表明,染料INI2以间接注入途径实现电子注入.综合计算结果,中氮茚INI染料有希望作为性能优良的染料敏化剂而得到应用.

关键词：中氮茚[3,4,5-ab]异吲哚染料敏化太阳能电池电子吸收光谱光捕获效率密度泛函理论含时密度泛函理论

TiO_2纳米晶复合纳米棒染料敏化太阳能电池

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物理化学学报 2011年第7期27卷 1701-1706页

作者：刘润花张森夏新元云大钦卞祖强赵永亮内蒙古大学化学化工学院呼和浩特010021 北京大学化学与分子工程学院北京100871

通过二次水热法合成锐钛矿TiO_2纳米棒(ANR).采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(TEM)等手段对其进行表征.通过调节ANR和锐钛矿纳米颗粒(ANP)的掺杂比例来增加TiO_2纳米晶膜的光捕获效率和电子传输速率,并对比了单... 详细信息

通过二次水热法合成锐钛矿TiO_2纳米棒(ANR).采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(TEM)等手段对其进行表征.通过调节ANR和锐钛矿纳米颗粒(ANP)的掺杂比例来增加TiO_2纳米晶膜的光捕获效率和电子传输速率,并对比了单层结构(ANR+ANP)和双层结构(ANP/(ANR+ANP))的纳米晶膜光阳极的光电转化性能.在AM1.5、光强100 mW·cm^(-2)的模拟太阳光下测试,染料N719敏化的双层结构太阳能电池光电转化效率达7.3%,比相同条件下单层纯ANP光阳极器件的光电转化效率(6.1%)提高了20%.

关键词：染料敏化太阳能电池纳米棒纳米颗粒电子传输速率光捕获效率光电转化效率

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柱对称矢量光束光镊的光捕获力计算研究

柱对称矢量光束光镊的光捕获力计算研究

作者：郭晓飞兰州大学

学位级别：硕士

在生物医学和物理科学等领域中,光镊技术作为一种强有力的工具,用于实现微小颗粒和生物分子的捕获与绑定。尤其是对于颗粒的非接触、无损伤的捕获特性,使得光镊技术得到了越来越广泛的应用,同时也极大地吸引了人们的研究兴趣。柱对称矢... 详细信息

在生物医学和物理科学等领域中,光镊技术作为一种强有力的工具,用于实现微小颗粒和生物分子的捕获与绑定。尤其是对于颗粒的非接触、无损伤的捕获特性,使得光镊技术得到了越来越广泛的应用,同时也极大地吸引了人们的研究兴趣。柱对称矢量光束以其独特的偏振状态和光场特性,在基于单光束的光镊捕获领域中备受关注。研究这类光束的光捕获计算和相关参量的评价,有助于我们更好地理解和应用光镊技术,以提高现有光镊的性能。本文在前人研究成果的基础上,对径向偏振光束和角向偏振光束的理论合成方法、光场分布以及光捕获效率做了讨论和分析,并分析了相关参数对捕获效率的影响。本文主要工作和结论如下:(1)采用几何光学模型的数值模拟计算了不同偏振模式光束的捕获效率,同时与采用MATLAB光镊工具包的电磁散射模型的计算结果进行对比,验证了改进的光镊工具包对计算柱对称矢量光束光捕获的可行性,分析了两种模型计算光捕获的优劣。结论表明改进的光镊工具包能够计算柱对称矢量光束的光捕获,与几何光学模型的数值比较发现,基于光镊工具包的电磁散射模型得出的结果与实际分析更加吻合。(2)在改进的光镊工具包的基础上,实现了两束线偏振TEM01模光束叠加合成柱对称矢量光束的光捕获计算,也实现了两束圆偏振LG01光束叠加合成柱对称矢量光束的光捕获计算。对两种方法的结果进行比较,发现它们合成的柱矢量光束对计算捕获效率的数值结果相一致。(3)讨论了柱对称矢量光束特殊的光捕获性质。得出径向偏振光束更适合折射率相对较大的颗粒的光捕获,其轴向捕获比其他光束更稳定。角向偏振光束则较适合折射率相对较小的颗粒的光捕获,其横向上具有多个平衡捕获位置,能实现多个小尺寸颗粒的同时捕获;对于折射率低于周围介质环境的小尺寸颗粒的光捕获,角向光束因其特殊的光场特性能够实现这类颗粒的横向捕获。

关键词：光镊技术柱对称矢量光束光捕获效率径向偏振光束角向偏振光束

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染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的优化

染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的优化

作者：杨广涛宁波大学

学位级别：硕士

提高染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率和稳定性是该电池能否早日商业化生产的瓶颈问题。根据光阳极研究的最新进展,在纳米粉末制备光阳极技术的基础上,本论文首次将不同粒径的胶质碳球加入到纳米颗粒中造孔作为散射中心,得到针... 详细信息

提高染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率和稳定性是该电池能否早日商业化生产的瓶颈问题。根据光阳极研究的最新进展,在纳米粉末制备光阳极技术的基础上,本论文首次将不同粒径的胶质碳球加入到纳米颗粒中造孔作为散射中心,得到针形微孔新颖形貌的光阳极,有效提高了光阳极的散射能力,提高了染料敏化太阳能电池的光捕获效率和电池的光电转换效率。本论文的具体研究内容是:溶胶凝胶法制备的二氧化钛纳米粒子粒径较小,约为18nm。这种小粒径的二氧化钛纳米粒子制备的光阳极具有较高的比表面积,能有效提高染料吸附量。但由于小粒径的纳米粒子排列过于致密,制成的膜呈透明状态,这不利于射入光阳极内光的散射。为提高光阳极对射入的光的散射效果,我们在一定量浆料中掺混了粒径分别为250nm,500nm,700nm不同大小相同量(15wt%)的碳球,然后涂覆在导电玻璃上的薄膜经高温烧结后碳球被烧掉,膜中就出现了较多的孔洞,孔洞的大小约为掺入碳球粒径大小,我们研究了电池效率随孔洞大小的变化关系。通过研究发现在相同厚度下当掺混500nm一定量(15wt%)碳球时电池的光捕获效率及光电转换效率达到最优。我们在此结论基础上又继续研究了一定量浆料中掺混500nm不同量碳球造孔对电池光电转换效率的影响。实验过程中所用浆料二氧化钛纳米粒子浓度相同。研究发现随着掺混碳球量的增加,光阳极对入射光散射效果逐渐增强,光阳极的染料吸附量降低,当掺混500nm质量为浆料中二氧化钛纳米粒子质量15%碳球时电池效率达到最优。实验研究了孔洞量的多少对光阳极散射和染料吸附能力以及组装电池后光电转换效率的影响。我们通过比对实验发现造孔后光阳极的散射效果得到了很大提高,并且掺混15wt%碳球造孔后的电池效率达到最优,电池最优光电转换效率从造孔前的5.5%(Jsc=11.7mAcm, Voc=0.645V, FF=0.699)提高到造孔后的7.2%(Jsc=14.8mAcm, Voc=0.657V, FF=0.703),约提高了31%。此外我们还在光阳极中掺混含氮元素空心球,增加光阳极散射效果的同时,改变光阳极导带和价带间的能级差,拓宽光阳极对更宽波段单色光的响应度,研究了掺混氮元素后的光阳极组装的电池光电转换效率及填充因子随厚度变化的关系。

关键词：染料敏化纳米晶太阳能电池散射中心碳球多孔光阳极光捕获效率

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含四吡咯环有机分子体系的光电性能研究

含四吡咯环有机分子体系的光电性能研究

作者：杨璨朴东北林业大学

学位级别：硕士

全球经济快速发展离不开能源的供给,太阳能因其能量巨大受到人们青睐。而太阳能电池的发展使得人们高效利用太阳能成为现实。染料敏化太阳能电池（DSSC）属于新型太阳能电池,由于器件制造简单,原料来源广泛,没有污染,因此被研究人员广... 详细信息

全球经济快速发展离不开能源的供给,太阳能因其能量巨大受到人们青睐。而太阳能电池的发展使得人们高效利用太阳能成为现实。染料敏化太阳能电池（DSSC）属于新型太阳能电池,由于器件制造简单,原料来源广泛,没有污染,因此被研究人员广泛关注。染料敏化剂是构成DSSC器件的核心组成,其光电性能的优劣,可以直接影响光电流和光电压的大小,从而影响电池效率。因此,寻找高效、廉价的敏化剂是DSSC领域的热点问题。卟啉中含有四吡咯环,具有很高的摩尔消光系数和易于系统修饰的特点,在光子捕获和能量转换方面有着特殊的优势。为探索高效的卟啉敏化剂,我们首先解释了实验中双栅栏卟啉分子比单栅栏卟啉分子短路电流(J)大的原因;其次,基于双栅栏卟啉分子,分别以一个氟原子或两个氟原子添加至辅助受体处,设计出了两个新分子,并比较了实验和设计分子以及复合物体系的光电性能。研究发现:光吸收能力、分子内电荷转移性能、化学反应参数以及电子注入过程等因素导致了双栅栏卟啉分子实验中大的J。而与原分子相比,设计分子显著提高了各种光伏参数。氟原子的强吸电子能力可以提高双栅栏卟啉分子的光电性能,两个氟原子引入辅助受体的新分子产生了最高的光电转化效率（PCE）。叶绿素中含有四吡咯环,是地球上最丰富的有机色素之一。我们研究了有机染料单体分子和叶绿素衍生物（Chl）共敏化体系的光物理、电化学和光伏特性。首先,研究了单体分子的几何构型、光学性质等与光电性能相关的微观参数。其次,对异二聚体进行了模拟,解释了共敏化系统中的电子结构和分子间电荷转移机理。最后,建立基于D-A-π-A染料耦合Chl的共敏化太阳能电池的评价模型,以评价J、开路电压(V)、填充因子（FF）和PCE表现。研究发现:单体分子的能隙值、光捕获效率、电子输运能力、化学反应参数、染料聚集和染料再生过程影响了光电性能;而与单体分子相比,共敏化体系存在弱相互作用力,且光捕获效率、激发态特性均有所提升。此外,在Chl和D-A-π-A染料之间可以发生长距离电荷转移,共敏化体系实现了更高的PCE。本研究为理解含四吡咯环有机分子体系结构与光电性能之间的关系提供了有价值的参考,并提出了分子设计方案。此外,从微观机制来评价整体光伏性能,可以为实验合成高效光敏化剂提供理论指导。

关键词：染料敏化太阳能电池光电性能光捕获效率电荷转移

染料敏化太阳能电池中具有不同芳基胺类给体的有机染料的理论研究

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染料敏化太阳能电池中具有不同芳基胺类给体的有机染料的理论研究

作者：苏欣东北师范大学

学位级别：硕士

自从1991年Gr tzel等人报道了具有简单结构的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的效率高达7%以来，DSSCs就引起了人们的广泛关注。与传统的硅基半导体太阳能电池相比，DSSCs具有高能量转换效率及低成本等优点。实验上以锌卟啉类染料为光敏剂的D... 详细信息

自从1991年Gr tzel等人报道了具有简单结构的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的效率高达7%以来，DSSCs就引起了人们的广泛关注。与传统的硅基半导体太阳能电池相比，DSSCs具有高能量转换效率及低成本等优点。实验上以锌卟啉类染料为光敏剂的DSSCs的效率已达到12.3%。然而，由于金属的价格昂贵，因此限制了DSSCs的大规模商业化应用。近些年，基于非金属有机染料的DSSCs因其低成本、易制备、环保，同时具有较高的光电转换效率等优点而越来越受到人们的重视。光敏染料作为DSSC的重要组成部分，其结构上的微小差异会引起器件性能的显著不同。但实验上设计合成高效的染料分子仍存面临巨大挑战，近年来，量子化学方法已成为了揭示染料分子结构与性能之间关系的可靠的研究手段。本文主要包括两部分研究工作：第一部分：为了合理解释二聚噻吩类染料分子结构与性能之间的关系，采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)讨论了包括紫外-可见吸收光谱、光捕获效率、电子注入驱动力、垂直方向偶极矩和电子转移数目在内的一系列影响染料性能的理论参数．结果表明，在光捕获效率和电子注入效率差别不大的情况下，染料分子较低的染料再生效率可导致其短路电流较小;同时，在由光诱导产生的从染料分子转移到半导体的电子数目以及电子复合程度相差不大的情况下，染料分子垂直方向上较大的偶极矩则可导致其具有较高的开路电压．第二部分：为了揭示D-D-π-A型染料的结构和性能之间的关系，本文结合密度泛函理论（DFT）以及含时密度泛函理论（TDDFT）围绕染料分子的几何、电子结构，吸收光谱，电化学性质，电子复合程度，以及半导体导带边缘的移动进行讨论。结果表明：相比于常规经典的D-π-A型染料分子，引入额外的给体，即D-D-π-A型双给体染料，可以改变体系的共轭程度，增加染料的光吸收强度;其中吩噻嗪和二苯胺基等非平面性给体的引入可以使染料吸收光谱红移，并且显著的调节染料的基态、激发态的氧化电位;反之，咔唑刚性给体的引入则使吸收光谱蓝移，只能微调染料的基态、激发态的氧化电位。另外，额外给体的引入可以显著增加染料阳离子空穴-半导体之间的距离，从而抑制注入电子与染料阳离子的复合;在额外给体中引入杂原子可以使I2聚集在染料外侧，从而降低电解质在半导体表面的局域浓度，进而减慢注入电子与电解质之间的复合速率。尽管额外给体的引入可以引起导带移动发生变化，但是这种变化并不显著的，可以忽略。计算结果表明通过在常规经典的D-π-A型染料上引入额外的电子给体构筑D-D-π-A型染料可以有效调节染料的光学、电学以及电子复合等各方面性质，从而为高性能的染料提供更直观、清晰的思路。

关键词：染料敏化太阳能电池 D-π-A型有机染料 D-D-π-A型有机染料光捕获效率染料再生效率电子复合密度泛函理论

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敏化太阳电池中光传输的理论模拟及应用

敏化太阳电池中光传输的理论模拟及应用

基于TiO2纳米线阵列的染料敏化太阳能电池研究

第一届新型太阳能电池暨钙钛矿太阳能电池学术研讨会

作者：郭晓枝沈文忠上海交通大学太阳能研究所

捕获光子是太阳电池光电转换过程中的第一步。在敏化太阳电池中,通过优化和设计光阳极多孔薄膜的材料和结构,可以有效地提高电池的光捕获性能[1-4]。本文报道一种计算机模拟敏化太阳电池光传输的方法。该方法基于Monte Carlo法,可以模... 详细信息

捕获光子是太阳电池光电转换过程中的第一步。在敏化太阳电池中,通过优化和设计光阳极多孔薄膜的材料和结构,可以有效地提高电池的光捕获性能[1-4]。本文报道一种计算机模拟敏化太阳电池光传输的方法。该方法基于Monte Carlo法,可以模拟光子在多孔薄膜中的散射和吸收,给出入射光的平均光程、吸收深度、散射角度和捕获效率等。这种模拟方法是一种灵活、高效、可靠的工具,能够为具体的实验工作提供理论指导。我们利用这种方法开展了三方面的研究:(1)采用传统的球形颗粒作为散射中心,对光阳极的散射结构进行了设计和优化,模拟结果表明多层结构和梯度散射设计能够在提高长波区光吸收的同时避免背散射造成的光损失;(2)研究了0D和1D纳米颗粒组成的复合光阳极的光收集效率,分析了1D纳米颗粒的尺寸、形状和取向的影响,并提出了两种优化的复合光阳极结构;(3)研究了金属纳米颗粒对敏化太阳电池光学特性的影响,揭示了局域表面等离子体效应提高电池效率的原因。

关键词：染料敏化太阳电池理论模拟散射结构局域表面等离子体效应光捕获效率

来源： cnki会议评论

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基于TiO2纳米线阵列的染料敏化太阳能电池研究