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系統識別號 U0002-2506201518234700
中文論文名稱 星型染料敏化太陽能電池之理論計算探討
英文論文名稱 Theoretical Studies of Star-shaped Metal-free Dye-sensitized Solar Cell Organic Dyes
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 張鈞齊
研究生英文姓名 Chun-Chi Chang
學號 602160342
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-06-18
論文頁數 163頁
口試委員 指導教授-王伯昌
委員-李錫隆
委員-王伯昌
委員-李世元
中文關鍵字 太陽能電池  理論計算 
英文關鍵字 DFT  DSSC  Solar Cell  Gaussian 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 此篇論文的染料敏化太陽能電池有機光敏化劑是以星型的系統(EDG1)2-EDG2-π-EWG來設計,探討置換不同予體片段EDG1、EDG2及受體片段EWG所產生的效應,並使用DFT/B3LYP計算方法搭配6-31G(d)的基底函數進行計算,且皆有實驗值來輔助計算值的可靠性。在不同的EDG1系統中,推電子能力強的EDG1會使整體分子的 值上升、系統之自由能改變量變大、有較大的紅位移現象及有較長的分子半衰期。由結果得知在EDG2的TPA系列中,EDG1的PY是不錯的選擇,而在EDG2的DPBF系列中,EDG1 的DPP是不錯的選擇。而在不同的EWG系統中,拉電子能力強的EWG會使整體分子的 值下降、開路電壓下降。而當為有效電荷激發時,電子分佈會包含到錨定基團(Anchoring Group),讓電子能有效傳到TiO2上。由結果得知在TPA與DPBF系列中,EWG的C是EWG不錯的選擇。
英文摘要 In this study, we designed a series of metal-free dye-sensitized solar cell (DSSC) organic dyes with star-shaped system ((EDG1)2-EDG2-π-EWG), incorporating with different moiety, such as auxiliary electron-donating groups (EDG1), mainly electron-donating group (EDG2), π-conjugated linker moiety and electron-withdrawing groups (EWG). Our calculated results were calculated by the density functional theory (DFT/B3LYP) and time-dependent density functional theory method with 6-31G(d) basis set. Our calculated results exhibited a good agreement with experimental data. In different EDG1 system, the stronger auxiliary electron-donating groups can make an effect to influence the molecular to get higher EHOMO, large absorption wavelength, large the free energy change for the electron injection, and longer lifetime. These calculated results of designed molecules show that the TPA series of PY and the DPBF series of DPP have a better performance, and may be used as potential sensitizers in the DSSC application. In different EWG system, the stronger acceptor groups can make an effect to influence the molecular to get lower ELUMO, smaller open circuit voltage. Moreover, when the molecular transition configurations is effective charge transfer excitation, electron distribution extend to anchoring group of dye, electron will injected efficiently to TiO¬2. These calculated results of designed molecules show that the TPA and DPBF series of C have a better performance, and may be used as potential sensitizers in the DSSC application.
論文目次 目錄
頁次
第一章 緒論 1
1-1染料敏化太陽能電池(DSSC)的簡介與原理 1
1-2線型與星型有機光敏化劑 8
1-3電子予體、電子受體效應相關文獻 14
1-4影響染料敏化太陽能電池(DSSC)效能之重要因子及相
關文獻 21
1-5研究動機 30
第二章 原理與方法 32
2-1密度泛函理論(DFT) 32
2-2計算方法 35
2-3基底函數組 37
2-3-1基底函數組效應 39
 2-4軟體設備 45
第三章 結果與討論 46
3-1 星型有機光敏化劑予體分子片段(EDG1、EDG2)、π
共軛連結基(π)與受體分子片段(EWG)的分類 46
3-2 搭配不同予體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統 51
3-2-1分子幾何結構、電子性質與系統之自由能改變量
(ΔGinject)分析
52
3-2-2吸收光譜與相關光捕獲效益(RLHE)分析 65
3-2-3分子軌域(pDOS)分析 73
3-2-4開路電壓(V_oc)的分析 75
3-2-5分子半衰期(τ)的分析 77
3-2-6適當候選人分子之挑選 78
3-3搭配不同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系統 79
3-3-1分子幾何結構、電子性質與系統之自由能改變量
(ΔGinject)分析 80
3-3-2吸收光譜與相關光捕獲效益(RLHE)分析 94
3-3-3分子軌域(pDOS)分析 102
3-3-4開路電壓(V_oc)的分析 104
3-3-5分子半衰期(τ)的分析 105
3-3-6適當候選人分子之挑選 107
3-4 不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分
子系統 108
3-4-1分子幾何結構、電子性質與系統之自由能改變量
(ΔGinject)分析 108
3-4-2吸收光譜與相關光捕獲效益(RLHE)分析 118
3-4-3分子軌域(pDOS)分析 125
3-4-4開路電壓(V_oc)的分析 126
3-4-5分子半衰期(τ)的分析 127
3-4-6適當候選人分子之挑選 129
3-5不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)的分
子系統 130
3-5-1分子幾何結構、電子性質與系統之自由能改變量
(ΔGinject)分析 130
3-5-2吸收光譜與相關光捕獲效益(RLHE)分析 140
3-5-3分子軌域(pDOS)分析 148
3-5-4開路電壓(V_oc)的分析 149
3-5-5分子半衰期(τ)的分析 150
3-5-6適當候選人分子之挑選 151
第四章 結論 153

參考資料 159


圖目錄
頁次
圖1-1染料敏化太陽能電池之工作原理示意圖 2
圖1-2染料敏化太陽能電池 3
圖1-3有機光敏化劑N3、N719 6
圖1-4有機光敏化劑C217 7
圖1-5有機光敏化劑PPDCA 8
圖1-6有機光敏化劑BIDC4 9
圖1-7有機光敏化劑T2-1 9
圖1-8有機光敏化劑POZ-2 10
圖1-9 Z. Ning研究團隊研究之星型有機光敏化劑系列 11
圖1-10 Z. Ning研究團隊之有機光敏化劑系列吸收光譜圖 12
圖1-11常見星型有機光敏化劑 13
圖1-12常見星型有機光敏化劑 13
圖1-13 Z. Wan等人研究之光敏化劑 14
圖1-14 Z. Wan等人研究之光敏化劑的吸收光譜圖 15
圖1-15 C. Bonnier等人研究之光敏化劑 16
圖1-16 C. Bonnier等人研究之光敏化劑的吸收光譜圖 16
圖1-17 D. Cao等人研究之光敏化劑 17
圖1-18 D. Cao等人研究之光敏化劑的吸收光譜圖 18
圖1-19 J. Y. Kim等人研究之光敏化劑 19
圖1-20 S. Manoharan等人研究之光敏化劑 20
圖1-21 S. Manoharan等人研究之光敏化劑的吸收光譜圖 20
圖1-22太陽能電池電流電壓關係圖 22
圖1-23 有效電荷激發和無效電荷激發示意圖 28
圖3-1使用DFT/B3LYP/6-31G(d),計算不同予體分子片段
之HOMO能階與垂直游離能作圖 48
圖3-2使用DFT/B3LYP/6-31G(d),計算不同受體分子片段
之LUMO能階與垂直電子親和能作圖 48
圖3-3分子片段結構、名稱及縮寫 50
圖3-4搭配不同予體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統
結構之鍵長、兩面角示意圖 53
圖3-5搭配不同予體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統
之結構標準化示意圖 57
圖3-6搭配不同予體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統
之吸收光譜圖 69
圖3-7使用DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同予體
片段(EDG 1)的TPA系列星型分子系統的HOMO與LUMO
分子軌域圖 72
圖3-8搭配不同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系
統結構之鍵長、兩面角示意圖 81
圖3-9搭配不同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系
統之結構標準化示意圖 85
圖3-10搭配不同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系
統之吸收光譜圖 98
圖3-11使用DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同予體
片段(EDG 1)的DPBF系列星型分子系統的HOMO與
LUMO分子軌域圖 101
圖3-12不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的
分子系統結構之鍵長、兩面角示意圖 110
圖3-13不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的
分子系統之結構標準化示意圖 112
圖3-14不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的
分子系統之吸收光譜圖 121
圖3-15使用DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體片段
(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統的HOMO與
LUMO分子軌域圖 123
圖3-16不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)
的分子系統結構之鍵長、兩面角示意圖 132
圖3-17不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)
的分子系統之結構標準化示意圖 134
圖3-18不同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系統之
吸收光譜圖 144
圖3-19使用DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體片段
(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)分子系統的HOMO與
LUMO分子軌域圖 146


表目錄

頁次
表1-1 Z. Ning研究團隊之有機光敏化劑系列光電轉換效
率表 12
表1-2近期研發之有機光敏化劑系列光電轉換效率表 12
表1-3 Z. Wan等人研究之光敏化劑的光電轉換效率表 15
表1-4 C. Bonnier等人研究之光敏化劑的光電轉換效率表 17
表1-5 D. Cao等人研究之光敏化劑的光電轉換效率表 18
表1-6 J. Y. Kim等人研究之光敏化劑的吸收光譜表 19
表1-7 S. Manoharan等人研究光敏化劑的光電轉換效率表 21
表3-1使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算搭配不同予體片段
(EDG1)的TPA系列星型分子系統之鍵長(r)、兩面角(φ)之
數據 57
表3-2使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同予
體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統的E_HOMO、
E_LUMO、E_g、ΔG_inject* 63
表3-3使用五種計算方法計算TPA-T-C與實驗值的吸收波
長比較 66
表3-4使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d),計算搭配不同
予體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統的吸收光譜
(f>0.04且波長在300 nm以上) 67
表3-5使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算搭配不同予體片段
(EDG1)的TPA系列星型分子系統的HOMO與LUMO之
pDOS(%)分析 75
表3-6使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同予
體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統的ELUMO、V_oc 76
表3-7使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同予
體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系統的分子半衰期 77
表3-8 搭配不同予體片段(EDG1)的TPA系列星型分子系
統的λ_abs^max、RLHE、ΔG_inject、V_OC、τ 78
表3-9使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算搭配不同予體片段
(EDG1)的DPBF系列星型分子系統之鍵長(r)、兩面角(φ)
之數據 86
表3-10使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同
予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系統的E_HOMO、
E_LUMO、E_g、ΔG_inject* 91
表3-11使用五種計算方法計算DPBF-T-C與實驗值的吸收
波長比較 94
表3-12使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d),計算搭配不
同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系統的吸收光譜
(f>0.03且波長在300 nm以上) 96
表3-13使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算搭配不同予體片段
(EDG1)的DPBF系列星型分子系統的HOMO與LUMO之
pDOS(%)分析 104
表3-14使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同
予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系統的ELUMO、V_oc 105
表3-15使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算搭配不同
予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子系統的分子半衰期 106
表3-16 搭配不同予體片段(EDG1)的DPBF系列星型分子
系統的λ_abs^max、RLHE、ΔG_inject、V_OC、τ 107
表3-17使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算不同受體片段
(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統之鍵長(r)、兩
面角(φ)之數據 113
表3-18使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體
片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統的
E_HOMO、E_LUMO、E_g、ΔG_inject* 116
表3-19使用五種計算方法計算TPA-T-C與實驗值的吸收
波長比較 118
表3-20使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d),計算不同受
體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統的吸
收光譜 (f>0.04且波長在300 nm以上) 119
表3-21使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算不同受體片段
(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統之HOMO與
LUMO之pDOS(%)分析 126
表3-22使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體
片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統的
ELUMO、V_oc 127
表3-23使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體
片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的分子系統分子半
衰期 128
表3-24 不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=TPA)的
分子系統的λ_abs^max、RLHE、ΔG_inject、V_OC、τ 129
表3-25使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算不同受體片段
(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)的分子系統之鍵長
(r)、兩面角(φ)之數據 135
表3-26使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體
片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)分子系統的
E_HOMO、E_LUMO、E_g、ΔG_inject* 138
表3-27使用五種計算方法計算DPBF-T-C與實驗值的吸收
波長比較 141
表3-28使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d),計算不同受
體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)分子系統的吸
收光譜 (f>0.4且波長在300 nm以上) 142
表3-29使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算不同受體片段
(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)分子系統的HOMO與
LUMO之pDOS(%)分析 149
表3-30使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體
片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)分子系統的
ELUMO、V_oc 150
表3-31使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d)計算不同受體
片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)分子系統的分子
半衰期 151
表3-32不同受體片段(EWG)搭配予體片段(EDG2=DPBF)
分子系統的λ_abs^max、RLHE、ΔG_inject、V_OC、τ 152
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