导读:本文包含了分子间能量转移论文开题报告文献综述及选题提纲参考文献，主要关键词:白光,非能量传递,激发态分子内质子转移,延迟荧光
分子间能量转移论文文献综述
王英男[1]（2019）在《基于激发态分子内质子转移延迟荧光材料的非能量传递型WOLED的研究》一文中研究指出有机电致发光器件目前在高端显示领域的应用范围不断扩大,在未来极有可能成为显示行业的支柱产品,而其中白光有机电致发光器件因其在固态照明和全彩色显示领域有着巨大的应用潜力,而备受研究者们关注。为了实现白光,研究者们通常采用的方法主要有二元互补色或者叁原色迭加这两种方式,其白光发射主要是基于各发光组分之间的不完全能量传递。但是,这种能量传递的程度却很难被精确的控制,这就导致得到的白光色纯度往往不够理想,制备过程不易重复。虽然多发光层结构可以减少各发光组分之间能量传递,但是又由于结构复杂,且各发光层的材料失效程度不一致等原因,也会导致无法得到理想白光。而且普通荧光材料所制备白光有机电致发光器件的效率也并不是很理想。为了得到结构简单且能发出理想白光的有机电致发光器件,本文设计合成了基于激发态分子内质子转移且具有延迟荧光性质的黄光材料SPDDBD-1和绿光材料SPDDBD-2。它们在单分散溶液状态下,通氮气之后的发光寿命明显增加,且通过理论计算,单重态与叁重态的最小能极差仅为0.02 eV,符合延迟荧光的特征。选取黄光材料SPDDBD-1与蓝光主体材料CBP进行掺杂,通过比例调控可实现其白光薄膜。通过对CBP:SPDDBD-1掺杂薄膜的瞬态测试,证明主客体之间并不发生能量传递。在此基础上设计了ITO/NPB(40 nm)/CBP:SPDDBD-1(20nm)/TPBi/(60 nm)/LiF/Al的非能量传递型OLED器件结构,通过对掺杂比例的调节,发现SPDDBD-1掺杂比例为15%时,器件发光颜色接近理想白光,CIE坐标为(0.333,0.330),器件的最大电流效率为3.2 cd/A,最大外量子效率为1.67%。我们进一步在发光层中掺杂入延迟荧光蓝光材料DMAC-DPS以期提高WOLED器件的效率,当DMAC-DPS与SPDDBD-1的比例为4:1时,器件的发光颜色接近理想白光,CIE坐标为(0.328,0.336),最大电流效率和最大外量子效率分别提高至14.83 cd/A与6.08%。(本文来源于《南京邮电大学》期刊2019-12-09）
谢小银[2]（2019）在《理论研究分子轨道调控对DSSCs染料分子光吸收和能量转移特性的影响》一文中研究指出全球石化资源(煤、石油和天然气)的大量消耗导致过去的一百多年以来排放了难以估量的二氧化碳。由此引发的温室效应不断侵蚀着这颗星球上生物的生存空间,人类也无法独善其身。近年来,绿色替代能源的研发已成为必然的发展趋势,尤其以太阳能电池发展与应用最受瞩目。而其中染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells,DSSCs)为代表的新型电池的发展最被看好。虽然DSSCs器件转换效率(5~13%)尚不能与已被商业化应用数十年的硅基(单晶硅及多晶硅)光伏器件动辄10-24%相比,但其选用原料成本低廉且较为无毒,加上可运用印刷技术的简单制造设备,制造成本仅为硅基太阳电池的5~10%,同时DSSCs转换效率不受日照角度影响,转换效率随温度上升而增加,因此未来竞争力也会将优于硅基太阳能电池。对于DSSCs来说,影响器件性能的最关键因素莫过于所使用的染料敏化剂了,理想的敏化剂应该有一个合适的HOMO/LUMO能隙,这样就能够很好的匹配太阳光谱吸收尽可能多的太阳光子并激发产生尽量多的电子空穴对。另外,敏化剂的电子结构还能够影响激发态电荷在分子内输运性质,理想的敏化剂分子能够对激子产生足够大推动力来促使电子和空穴分离从而产生有效电荷。同时驱动电荷向相反方向转移形成光电流。本论文以密度泛函理论为基本研究手段,对一系列D-π-A有机染料分子的电子结构及分子内电荷传输特性进行了深入的理论研究,结合相关实验结果提出了一些普适的染料分子设计方案。研究过程中,除了研究敏化剂分子的独立个体特性,还通过对电荷密度差分、态密度、及电子注入驱动力的分析,深入研究了敏化剂分子与半导体结合体系界面间吸附和电荷转移特性,从理论角度对染料敏化剂的性能进行了比较全面的评价和预测。希望本研究工作能够为染料敏化太阳能电池尤其是敏化剂分子的合成和制备工作提供有力的理论支持。该论文的第一章为前言,介绍了太阳能电池尤其是染料敏化太阳能电池的发展过程,简要介绍了染料敏化太阳能电池器件的结构和光电转换原理,综述了现有的设计和合成高性能敏化剂的方案,阐明该课题的研究意义。第二章为对本论文所涉及的理论基础的进行阐释,主要包含了量子力学基础和在此基础上所形成的各种近似解方法以及计算方案;此外,本论文还对研究工作过程中所有理论分析手段进行了介绍。包括对染料分子几何构型、电子结构、电荷转移特性、染料与氧化还原电对间的作用以及染料-二氧化钛界面特性等方面进行计算和分析。我们借助这些理论测试手段及评价方方法,深入地揭示了通过对敏化剂分子构型进行调整最终是如何影响DSSCs的性能,提出高性能染料敏化剂分子的设计的普适原则。希望这些设计原则,能够为今后的实验研究提供理论支持。第叁、四和第五章是对我们所设计的高性能敏化剂的方法和原则的具体研究过程和方法手段进行说明。具体内容如下:首先,我们将高效有机异质结光伏器件电子给体材料分子中共轭单元应用到具有D-π-A结构的DSSCs中作为光电子传输载体π桥。通过密度泛函理论和含时密度泛函理论方法探究了染料分子π桥上三种共轭单元重复数量对于这类DSSCs分子的光子吸收和转移效率的影响。计算结果表明,π共轭延长能够改善吸收强度,但是吸收峰位置变化却有差异。主要是吸收峰位置变化程度Ppv<P3ht<Ptb7。这是因为通过变化Ppv基团的数目,HOMO轨道出现一定程度的变化,而LUMO基本上没有变化,因而Ppv系列的染料吸收峰位置没有显着变化,相对于P3ht和Ptb7系列来说。同时我们还证实,P3ht的引入有利于改善分子内电荷转移效率,而Ppv和Ptb7系列中π共轭的延长使分子内电荷转移效率降低。随后我们选取有实验数据的D-π-A染料XY1和D35作为参照构型,来研究具有吸收光谱互相补充的染料组合对器件的效率的提升作用。众所周知,提高DSSC效率的策略有很多,最有效的方法是促进光的收集,即扩大光谱吸收范围和/或提高光谱吸收强度。在这一章,我们利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法,设计并研究了用于染料敏化太阳能电池的光谱互补的D-π-A有机染料组合。研究了电子性质,包括前线分子轨道、分子内电荷转移、吸收光谱等。结果表明,B1染料与XY1染料具有最佳的吸收波长互补性,相应地在太阳光谱的350-450纳米范围内具有较高的采光效率。因此,我们能够籍以此理论结果预测,以B1和XY1为敏化剂的染料敏化太阳能电池,其光电转换效率比参考文献中的XY1和D35染料的组合更高。最后,我们利用密度泛函理论和含时密度泛函理论计算,对高效D-π-A有机染料进行了详细的理论探索。具体地说,我们对两种噻吩[3,2-b]二苯并噻吩π桥D-π-A有机染料SGT129和SGT130进行了几何优化和电子结构和吸收光谱计算,这两种染料在与TiO_2半导体结合前后表现出显着的效率差异。计算结果表明,电子供体与π桥之间的共面结构能够有效地增强电子转移,从而促进SGT130分子内电荷从电子供体转移到受体基团。SGT130的吸收光谱由于带隙的减小而展宽并发生红移。较高的采光效率、有利的分子内电荷转移、TiO_2半导体中导带边缘的较大位移以及在TiO_2导带中注入的电子与电解质之间的慢电荷复合解释了SGT130优于SGT129的效率。以SGT130为参考染料,通过对含富电子和吸电子部分的π桥基团进行改性,进一步设计了四种新型染料1-4。从影响短路电流和开路电压的理论参数来看,所有染料在界面电荷转移和光捕获效率方面均优于SGT130,并且TiO_2导电带边缘的位移较大。我们的理论研究有望为染料敏化太阳能电池应用中基于TBT的D-π-A有机染料的分子改性提供有价值的见解。在第六章,对攻读博士期间的研究成果进行了总结和展望。包括对截至当前所取得研究成果进行总结及在投工作的介绍,另外还对未来的工作做出规划。(本文来源于《吉林大学》期刊2019-06-01）
高楠[3]（2019）在《基于核苷酸—镧系配位聚合物的能量转移比率荧光检测生物分子》一文中研究指出镧系配位聚合物(LnCPs)因其独特的光学、磁学、电学性质而被广泛应用在传感、抗菌、生物成像、逻辑门构建等领域。尤其是其优异的发光性质,色度高,窄的发光谱带,大的斯托克斯位移,长达毫秒的荧光寿命,使其在生物传感领域具有非常大的应用潜力。本文设计合成了几种LnCPs,通过改变其内部能量传递过程实现了生物分子的比率荧光检测。目前,以镧系配位化合物和含有镧系离子(Ln~(3+))的纳米复合物为代表的镧系元素发光传感器被广泛的用于炭疽杆菌生物标志物2,6-吡啶二甲酸(DPA)的检测。然而,这些研究大多数基于DPA对Ln~(3+)的敏化,由于合成过程繁琐,选择性差以及受环境的强烈影响,它们中的大多数难以实现细菌孢子中DPA的稳健检测。我们提出了一种新的策略,由两种Ln~(3+)(Tb~(3+)和Eu~(3+))以及作为配体的鸟苷-5'-单磷酸(GMP)自组装合成双核LnCPs纳米粒子GMP-Tb/Eu,通过阻断GMP-Tb/Eu中的多级能量转移实现DPA的检测。线性检测范围2-16μM,检测限为96 nM。这种智能发光探针在DPA存在时表现出视觉发光颜色变化,可以精确检测复杂生物体系(如细菌孢子)中的DPA。通过激光共聚焦成像也成功地实时监测了细菌孢子萌发时DPA的释放。因此,该探针有望成为有效检测细菌孢子并应对炭疽威胁的有力工具。基于上述设计理念,又利用单磷酸腺苷(AMP)和Ce~(3+)、Tb~(3+)自组装合成了另一种双核LnCPs(AMP-Tb/Ce),基于纳米粒子内部两次能量传递过程(AMP→Ce~(3+)→Tb~(3+))最终显示出非常好的发光性能。LnCPs具有非常良好的自组装性能,可以封装各种客体分子,因此利用其封装性能将两种客体分子罗丹明B(RhB)和葡萄糖氧化酶(GOx)封装入AMP-Tb/Ce中,成功构筑复合纳米材料RhB&GOx@AMP-Tb/Ce。RhB与Tb~(3+)之间存在一定的能量传递过程,上述复合纳米材料中多级能量传递过程为设计比率型传感平台提供了基础。客体分子GOx具有催化能力,将设计的该复合纳米材料用于葡萄糖的传感。葡萄糖在GOx存在下可以被氧化产生葡萄糖酸和双氧水,AMP-Tb/Ce结构中的Ce~(3+)可以被双氧水氧化为Ce~(4+),导致其内部多级能量传递过程打断,进而实现RhB&GOx@AMP-Tb/Ce对葡萄糖的比率型荧光响应。线性范围0.4-80μM,检测限为74.3 nM。具有很好的灵敏度,较高的选择性和抗干扰能力,在实际样品中的检测具有非常好的优势。GMP和Gd~(3+)可以通过配位自组装形成配位聚合物GMP-Gd,在自组装过程中引入客体分子可以实现对客体分子的封装。利用LnCPs的封装性能将两种贵金属纳米簇封装入GMP-Gd中,制备了核苷酸-镧系配位聚合物复合材料AgNCs&AuNCs@GMP-Gd。当GSH-AgNCs和Met-AuNCs被GMP-Gd封装之后,两者发生能量转移,表现出Met-AuNCs的发光。碱性磷酸酶(ALP)的引入水解GMP上的磷酸基团,使得GMP与Gd~(3+)的配位能力减弱。GMP-Gd结构被破坏,释放GSH-AgNCs和Met-AuNCs。由于两种纳米簇均为负电,两者相互排斥,无法发生有效地能量传递。Met-AuNCs的发光减弱,与此同时GSH-AgNCs的发光增强。基于此构建了ALP的比率荧光传感平台,线性检测范围为0.18-0.48U·mL~(-1),检测限为0.051 U·mL~(-1)。该传感平台还可用于ALP抑制剂性能的评估,为ALP活性测定提供了一种简单而灵敏的方法。(本文来源于《南昌大学》期刊2019-05-24）
韦康[4]（2019）在《碳量子点/染料分子体系中的能量/电子转移过程研究》一文中研究指出最近几十年,纳米材料的研究一直是科学界的热点,在很多领域表现出优异的性能。纳米材料由于其大的比表面积,它们的性质与常见的块状形式材料差异很大;并且在某些情况下,具有出乎意料的物理和化学性质。为了获得更加优异的性质,人们花费大量的精力对纳米材料进行合成和调控,然而对相关微观机理的认知还不够深入。超快光谱为纳米材料的研究打开了一扇新窗,使人们能够从机理层面去认识纳米材料中的各种相互作用。在基于半导体量子点的光催化和太阳能电池领域,激子猝灭动力学的研究对提高材料性能具有指导性的意义。目前关于半导体量子点激子猝灭的研究,大都是独立地考察体系中的能量转移或电子转移过程,缺乏对这两个过程并存时的相互关系的研究。作为本论文工作的主要部分,我们采用稳态吸收/荧光光谱和超快瞬态吸收光谱等技术手段,研究了一类典型的纳米材料碳量子点(CQDs)/染料分子罗丹明B(RhB)体系中的能量转移和电子转移过程以及这两个过程之间的关系。采用邻苯二胺(o-phenylenediamine)和间苯二胺(m-phenylenediamine)作为前驱物制备出两种不同的碳量子点,即o-CQDs和m-CQDs。鉴于二者的荧光发射谱和RhB分子的吸收谱之间的重迭度不同,给体CQDs到受体RhB的能量转移效率不同。基于福斯特模型分析,我们发现o-CQDs/RhB体系中的能量转移效率(73.2%)是m-CQDs/RhB体系中的(33.5%)两倍以上。值得注意的是,鉴于o-CQDs、m-CQDs和RhB分子之间的能量关系,从这两个CQDs到RhB的电子转移均可发生。基于超快瞬态吸收光谱的结果分析,发现电子转移行为在o-CQDs/RhB体系中不明显,而在m-CQDs/RhB体系中则十分显着。据此,可以推论在能量转移和电子转移共存的量子点/染料分子体系中,这两个转移过程存在此消彼长的关系。此外,我们还采用超快光谱研究了不同聚合度的类石墨相氮化碳(g-C3N4)中的载流子动力学。我们的合作者合成出了一种光催化性能随聚合度变小而变好的g-C3N4。我们的超快光谱表征给出了契合的机理解读:随着g-C3N4聚合度变小,会引入捕获/聚集电子能力强的新缺陷态,导致载流子分离效率的提高,从而优化了光催化性能。(本文来源于《中国科学技术大学》期刊2019-05-05）
叶友胜,张忠平,鲁文胜,汪海燕,周兵[5]（2018）在《基于分子印迹膜共振能量转移电化学发光法测定扑热息痛》一文中研究指出构建了CdTe QDs和Ru(bpy)_3~(2+)的电化学发光共振能量转移体系,并通过扑热息痛分子印迹膜转移共振能量,进而实现高识别、高灵敏地检测扑热息痛。在优化条件下,电化学发光强度变化值与扑热息痛浓度(1.0×10~(-13)～1.0×10~(-9) mol·L~(-1))的对数值之间呈良好的线性关系,检出限为0.42×10~(-13) mol·L~(-1)。该传感器用于实际样品的测定,其回收率为95.8%～103.9%。(本文来源于《分析科学学报》期刊2018年06期）
郑轩,于鹏云,王建平[6]（2018）在《氮化碳分子内振动能量转移的超快二维红外光谱》一文中研究指出利用碱处理法剥离制备了氮化碳重水胶体溶液,通过FTIR光谱表征发现其具有叁个C=N伸缩振动吸收峰。根据文献构建了一系列氮化碳模型分子并对其开展振动光谱计算,对叁个吸收峰进行了系统指认,结果表明叁个吸收峰分别来自于叁个不同区域的3-s-叁嗪C=N键的伸缩振动。超快时间分辨的二维红外光谱手段观测到了发生在叁个不同C=N伸缩振动模式间的能量转移。(本文来源于《光谱学与光谱分析》期刊2018年S1期）
严运安,Jorge,A.Morales[7]（2018）在《H~++CO_2散射在30电子伏能量下电荷转移和非电荷转移的非绝热分子动力学模拟（英文）》一文中研究指出在大气化学、天体物理学和癌症质子疗法中都涉及到高能H++CO_2散射反应.本文在最简电子-核动力学(SLEND)基础上系统研究在30 eV下的H~++CO_2散射.SLEND用经典力学描述核,用单行列式Thouless波函数描述电子.本文模拟了CO_2在42个取向共3402条轨线,为理解H~++CO_2散射中的各个反应过程和机制提供了系统描述:非电荷转移散射(NCTS),电荷转移散射(CTS)和C=O双键的断裂,这些关于反应的有用信息不能完全从实验中获取.本文提供了散射的详尽细节,包括随CO_2取向不同主彩虹角和次彩虹角的出现和合并.SLEND NCTS和CTS的微分散射截面通过高等半经典方法计算,显示NCTS散射截面对所有散射角都同实验符合得很好,而CTS散射截面只大散射角时同实验结果符合得很好而在小角散射时稍差.无论是CTS还是NCTS SLEND都预言了主彩虹角的特征,这同实验完全一致.(本文来源于《Chinese Journal of Chemical Physics》期刊2018年03期）
孙乐乐,苏莹莹,高延静,李威,吕慧[8]（2018）在《单分子荧光共振能量转移用于生物大分子构象动态变化过程研究进展》一文中研究指出生物大分子参与生命活动的各个过程,在单分子水平上实时观测和分析生物大分子自身的结构动态以及生物大分子相互作用的动态过程,对于深入理解生物大分子的作用机制具有重要意义。自提出以来,单分子荧光共振能量转移技术逐渐展现出其在研究生物大分子构象变化和相互作用过程等方面的巨大潜力,一系列新的作用机理陆续被提出。本文对单分子荧光共振能量转移技术在蛋白质与核酸分子构象动态变化、蛋白质-蛋白质相互作用以及蛋白质-核酸相互作用等方面取得的研究进展进行了综述。(本文来源于《分析化学》期刊2018年06期）
马建兵[9]（2018）在《高精度单分子荧光共振能量转移研究解旋酶的步进动理学》一文中研究指出与系综方法相比,单分子技术能够检测单个分子的动态变化。单分子荧光共振能量转移(FRET)是其中一种重要的单分子技术,并被广泛地用于研究解旋酶。但单分子FRET缺乏研究解旋酶步进必要的1碱基对(1 bp)分辨能力。我们设计一种纳米张力器,通过拉长DNA并稳定体系,使单分子FRET技术的分辨率提高到0.5 bp,从而把研究解旋酶的步进提高到一个新的层次。此外,本技术也可以在新的精度水平研究把双链DNA解旋为单链DNA的其他马达蛋白,比如聚合酶等。以这一高精度的smFRET技术为基础,我进一步开展以下多个关于解旋酶步进的研究。解旋酶用NTP水解释放的能量一步一步地解旋双链DNA。尽管已经有大量的研究,但对解旋的步进过程仍然缺乏解。用单分子FRET技术,我们研究隶属不同超家族的Pif1和RecQ解旋酶的步进。实验结果表明,两种解旋酶解旋步长都不均一且力对两种解旋酶有不同的影响。其中,Pif1的步进受力调控的现象可能和它在细胞内的生理过程有关。进一步地,解旋酶不均一的步进模式对应着一定的结构基础。为研究与解旋酶这种步进模式相关的结构基础,我们用高精度smFRET研究BLM解旋酶,发现BLM-DNA复合物的结构存在多个和步进相关的稳定复合物结构。我们用RecQ重复BLM的实验,发现RecQ也具有类似的结构,说明这些结构特点可能具有一定的普遍性。最后,根据得到的多种解旋酶步进的高精度实验结果,通过给解旋过程引入两个动力学参数来定量地表征随机释放过程,我们提出一个统一定量的步进模型。这一步进模型可以定量地解释我们观察到的多种解旋酶的步进模式,为解旋酶步进过程提供一个统一的理解。(本文来源于《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》期刊2018-06-01）
秦亚强[10]（2018）在《共轭聚合物单分子能量转移动力学特性研究》一文中研究指出共轭聚合物是一种有机光电材料,具有类似于无机半导体的优异光学和电学性质,因其具有光电转换效率高、电输运性能优良、良好的可塑性等特点,已经成为物理、化学和材料科学等领域的研究热点,特别在光电器件方面具有广阔的应用前景。共轭聚合物构象对其能量转移特性影响的研究对聚合物材料在有机光电器件中的应用具有重要意义。共轭聚合物光物理特性决定于其包含的共轭单元,每个单元由于π电子非局域特性形成共轭体系,表现为独立的发色团。共轭聚合物在不同构象下,由于不同共轭单元之间的距离导致共轭聚合物链间光物理过程出现较大的差异,从而直接影响基于共轭聚合物的光电器件的发光效率和工作寿命。由于共轭聚合物材料结构的无序性,使得它的微观光物理特性极其复杂。传统的系综水平的测量得到的是系综平均信息,无法揭示微观环境共轭聚合物构象变化和能量转移动力学特性的关系。在单分子水平研究共轭聚合物分子的构象和能量转移特性已经成为材料科学中的重要研究领域。单分子光学探测消除了系综平均的影响,通过测量单个共轭聚合物分子的光物理特性揭示微观环境聚合物构象变化和能量转移及电子转移特性,为共轭聚合物光电性能的优化及应用提供重要的技术手段。本文中,我们利用单分子荧光成像技术测量了共轭聚合物单分子的构象与其光物理特性的对应关系及其对能量转移动力学特性的影响。主要开展的研究工作包括:(1)基于共聚焦扫描显微成像技术,结合时间分辨单光子统计技术测量了单分子共轭聚合物分子基本光物理特性,包括荧光光谱、荧光闪烁、荧光偏振和荧光寿命的关系等;(2)研究制备了不同构象的单分子共轭聚合物,并通过原子力显微镜进行了测量验证,发现共轭聚合物构象与使用的溶剂相关。研究了不同构象的荧光轨迹,分析并提出共轭聚合物构象与其光物理特性的对应关系,研究发现折迭构象的单分子荧光强度轨迹呈现单量子特性,延伸构象的单分子呈现多量子特性;(3)基于宽场散焦成像获取了共轭聚合物单分子发射跃迁偶极矩的叁维取向特性,通过对比不同构象下共轭聚合物单分子取向变化和荧光轨迹变化识别共轭聚合物单分子发光共轭单元,从而研究单个共轭聚合物链构象对其光物理特性和能量转移特性的影响。研究发现延伸构象下由于单个PFO-DBT共轭聚合物链缺乏高效的链间能量转移,出现同一时刻多发色团发光的现象;而折迭构象下的单分子保持高效链间能量转移,呈现单个发色团发光特性。统计参与折迭构象单分子发光的每个发色团,发现光漂白之前只有1个发色团参与发光的单分子大约占35%,依次有2个发色团参与发光的大约占46%,依次有3个或更多的发色团参与发光的单分子大约占19%。研究结果反映了共轭聚合物链的不均匀特性会增强共轭聚合物中结构单元之间的能量转移。本工作的创新之处在于利用散焦成像对单个偶极发射体偶极取向的叁维跟踪,实现了共轭聚合物不同发光位点的变化的实时观测,并分析了不同构象对共轭聚合物单分子的能量转移的影响。(本文来源于《山西大学》期刊2018-06-01）
分子间能量转移论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
全球石化资源(煤、石油和天然气)的大量消耗导致过去的一百多年以来排放了难以估量的二氧化碳。由此引发的温室效应不断侵蚀着这颗星球上生物的生存空间,人类也无法独善其身。近年来,绿色替代能源的研发已成为必然的发展趋势,尤其以太阳能电池发展与应用最受瞩目。而其中染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells,DSSCs)为代表的新型电池的发展最被看好。虽然DSSCs器件转换效率(5~13%)尚不能与已被商业化应用数十年的硅基(单晶硅及多晶硅)光伏器件动辄10-24%相比,但其选用原料成本低廉且较为无毒,加上可运用印刷技术的简单制造设备,制造成本仅为硅基太阳电池的5~10%,同时DSSCs转换效率不受日照角度影响,转换效率随温度上升而增加,因此未来竞争力也会将优于硅基太阳能电池。对于DSSCs来说,影响器件性能的最关键因素莫过于所使用的染料敏化剂了,理想的敏化剂应该有一个合适的HOMO/LUMO能隙,这样就能够很好的匹配太阳光谱吸收尽可能多的太阳光子并激发产生尽量多的电子空穴对。另外,敏化剂的电子结构还能够影响激发态电荷在分子内输运性质,理想的敏化剂分子能够对激子产生足够大推动力来促使电子和空穴分离从而产生有效电荷。同时驱动电荷向相反方向转移形成光电流。本论文以密度泛函理论为基本研究手段,对一系列D-π-A有机染料分子的电子结构及分子内电荷传输特性进行了深入的理论研究,结合相关实验结果提出了一些普适的染料分子设计方案。研究过程中,除了研究敏化剂分子的独立个体特性,还通过对电荷密度差分、态密度、及电子注入驱动力的分析,深入研究了敏化剂分子与半导体结合体系界面间吸附和电荷转移特性,从理论角度对染料敏化剂的性能进行了比较全面的评价和预测。希望本研究工作能够为染料敏化太阳能电池尤其是敏化剂分子的合成和制备工作提供有力的理论支持。该论文的第一章为前言,介绍了太阳能电池尤其是染料敏化太阳能电池的发展过程,简要介绍了染料敏化太阳能电池器件的结构和光电转换原理,综述了现有的设计和合成高性能敏化剂的方案,阐明该课题的研究意义。第二章为对本论文所涉及的理论基础的进行阐释,主要包含了量子力学基础和在此基础上所形成的各种近似解方法以及计算方案;此外,本论文还对研究工作过程中所有理论分析手段进行了介绍。包括对染料分子几何构型、电子结构、电荷转移特性、染料与氧化还原电对间的作用以及染料-二氧化钛界面特性等方面进行计算和分析。我们借助这些理论测试手段及评价方方法,深入地揭示了通过对敏化剂分子构型进行调整最终是如何影响DSSCs的性能,提出高性能染料敏化剂分子的设计的普适原则。希望这些设计原则,能够为今后的实验研究提供理论支持。第叁、四和第五章是对我们所设计的高性能敏化剂的方法和原则的具体研究过程和方法手段进行说明。具体内容如下:首先,我们将高效有机异质结光伏器件电子给体材料分子中共轭单元应用到具有D-π-A结构的DSSCs中作为光电子传输载体π桥。通过密度泛函理论和含时密度泛函理论方法探究了染料分子π桥上三种共轭单元重复数量对于这类DSSCs分子的光子吸收和转移效率的影响。计算结果表明,π共轭延长能够改善吸收强度,但是吸收峰位置变化却有差异。主要是吸收峰位置变化程度Ppv<P3ht<Ptb7。这是因为通过变化Ppv基团的数目,HOMO轨道出现一定程度的变化,而LUMO基本上没有变化,因而Ppv系列的染料吸收峰位置没有显着变化,相对于P3ht和Ptb7系列来说。同时我们还证实,P3ht的引入有利于改善分子内电荷转移效率,而Ppv和Ptb7系列中π共轭的延长使分子内电荷转移效率降低。随后我们选取有实验数据的D-π-A染料XY1和D35作为参照构型,来研究具有吸收光谱互相补充的染料组合对器件的效率的提升作用。众所周知,提高DSSC效率的策略有很多,最有效的方法是促进光的收集,即扩大光谱吸收范围和/或提高光谱吸收强度。在这一章,我们利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法,设计并研究了用于染料敏化太阳能电池的光谱互补的D-π-A有机染料组合。研究了电子性质,包括前线分子轨道、分子内电荷转移、吸收光谱等。结果表明,B1染料与XY1染料具有最佳的吸收波长互补性,相应地在太阳光谱的350-450纳米范围内具有较高的采光效率。因此,我们能够籍以此理论结果预测,以B1和XY1为敏化剂的染料敏化太阳能电池,其光电转换效率比参考文献中的XY1和D35染料的组合更高。最后,我们利用密度泛函理论和含时密度泛函理论计算,对高效D-π-A有机染料进行了详细的理论探索。具体地说,我们对两种噻吩[3,2-b]二苯并噻吩π桥D-π-A有机染料SGT129和SGT130进行了几何优化和电子结构和吸收光谱计算,这两种染料在与TiO_2半导体结合前后表现出显着的效率差异。计算结果表明,电子供体与π桥之间的共面结构能够有效地增强电子转移,从而促进SGT130分子内电荷从电子供体转移到受体基团。SGT130的吸收光谱由于带隙的减小而展宽并发生红移。较高的采光效率、有利的分子内电荷转移、TiO_2半导体中导带边缘的较大位移以及在TiO_2导带中注入的电子与电解质之间的慢电荷复合解释了SGT130优于SGT129的效率。以SGT130为参考染料,通过对含富电子和吸电子部分的π桥基团进行改性,进一步设计了四种新型染料1-4。从影响短路电流和开路电压的理论参数来看,所有染料在界面电荷转移和光捕获效率方面均优于SGT130,并且TiO_2导电带边缘的位移较大。我们的理论研究有望为染料敏化太阳能电池应用中基于TBT的D-π-A有机染料的分子改性提供有价值的见解。在第六章,对攻读博士期间的研究成果进行了总结和展望。包括对截至当前所取得研究成果进行总结及在投工作的介绍,另外还对未来的工作做出规划。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
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标签：白光; 非能量传递; 激发态分子内质子转移; 延迟荧光;