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研究生：	黃鈺庭 Yu-Ting Huang
論文名稱：	以電子結構計算解析Ruthenium Oxyquinolate 在染料敏化太陽能電池上的光電轉換效率 Theoretical Analysis on the Power Conversion Process of a Ruthenium Oxyquinolate Architecture for Dye-Sensitized Solar Cells by Electronic Structure Calculations
指導教授：	蔡明剛 Tsai, Ming-Kang
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	化學系 Department of Chemistry
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	95
中文關鍵詞：	太陽能染料電池
英文關鍵詞：	Dye-Sensitized Solar Cells, non-innocent
論文種類：	學術論文
相關次數：	點閱：135 下載：2
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Ruthenium結合non-innocent ligands(NILs)錯合物具有非常有趣的electronic properties，已知在benzoquinone、iminobenzoquinone、benzoquinonediimine等系統中以及它們相對應的redox衍生物中均可觀察到這些現象。本篇研究針對[Ru(dcbpy)2(8-OQN)]+ (dcbpy=4, 4'- dicarboxy-2, 2' bipyridyl, and 8-OQN=8-oxyquinolate)這個錯合物進行電子結構的分析，以及其在太陽能染料電池上的應用。本篇論文藉由結合分子軌道理論與密度泛函理論的方式來研究[Ru(dcbpy)2(8-OQN)]+的特性。在考量溶劑效應下，我們計算[Ru(dcbpy)2(8- OQN)]+幾何結構、電子結構和吸收圖譜來探討。我們的結果顯示在吸收圖譜上有強的Ru (dπ) → dcbpy (π*) MLCT的吸收在300-700 nm的範圍內，以及在電子結構中，Ru d(π) 和 8-QON p(π)的軌域是混成在一起的。從研究結果發現，[Ru(dcbpy)2 (8-OQN)]+顯示出和[Ru(dcbpy)2(dfpp)]+ (dfpp=2-(2, 4-Difluororphenyl)pyridine) 及 Ru(dcbpy)2(NCS)2相近氧化還原電位、電子結構和吸收圖譜。我們也加入[Ru(dcbpy)2(5,7-di-X-8-OQN)]+ (X=F, Cl, Br, I, Me)和[Ru(dcbpy)2 (2,4-di-Y-phenyl-pyridine)]+ (Y= F, Cl, Br, I, Me)系列的錯合物做計算，觀察加入推拉電子基對吸收光譜、電子結構和分子軌域的影響。最後藉由[Ru(dcbpy)2(5,7-di-X-8-OQN)]+和[Ru(dcbpy)2 (2,4-di-Y-phenyl-pyridine)]+與電解質模型I-的計算，從軌道能量的觀點上，發現I-無法對[Ru(dcbpy)2(5,7-di-X-8-OQN)]+系列錯合物的HOMO進行還原。

Ruthenium complexes with non-innocent ligand, e.g. benzoquinone、iminobenzoquinone、benzoquinonediimine, exhibit intriguing electronic properties. [Ru(dcbpy)2(8-OQN)]+ (dcbpy = 4, 4'- dicarboxy-2, 2' bipyridyl, and 8-OQN = 8-oxyquinolate) for dye-sensitized solar cells was designed and reported. We report herein a theoretical investigation combinging molecular orbital theory and Density Functional Theory (DFT) on the [Ru(dcbpy)2 (8-OQN)]+. Molecular geometries, electron structures, and optical absorption spectra are predicted in methanol solution. Our results show that [Ru(dcbpy)2(8-OQN)]+ displays Ru (dπ) → dcbpy (π*) metal-to-ligand charge transfer absorption spectra in the range of 300-700 nm and extended molecular orbital overlap due to Ru (dπ) and 8-QON p(π) mixing. [Ru(dcbpy)2(8-OQN)]+ show similar redox potentials, optical properties and electron structures in comparison with [Ru(dcbpy)2(dfpp)]+ (dfpp=2-(2,4-Difluororphenyl) pyridine) and Ru (dcbpy)2(NCS)2 complexes using the optimized structures. Furthermore, a series of [Ru(dcbpy)2(5,7-di-X-8-OQN)]+ (X=F, Cl, Br, Me) Ru-8-OQN_F, Ru-8-OQN_Cl, Ru-8-OQN_Br and Ru-8-OQN_Me and [Ru(dcbpy)2 (2,4-di-Y-phenyl-pyridine)]+ (Y=H, Cl, Br, Me) YE05_H, YE05_Cl, YE05_Br and YE05_Me have been characterized by absorption spectra, electron structures and molecular orbitals. A quantative model of describing electrolyte (I¯ ion) was carried out using molecular orbital theory. The enegetics of the p orbitals of I¯ ions suggests that the electron injection into HOMO of [Ru(dcbpy)2(5,7-di-X- 8-OQN)]+ complexes may not be possible.

總目錄
圖目錄    III
表目錄    V
中文摘要    VIII
英文摘要    IX
第一章    緒論    1
1-1    前言    1
1-2    染料敏化太陽能電池的發展背景    2
1-3    染料敏化太陽能電池的結構與工作原理    3
1-4    染料敏化太陽能電池效能的計算    5
1-5    染料敏化太陽能電池的染料敏化劑設計    7
1-5-1    有機金屬染料    7
1-5-2    純有機染料    10
1-5-3    Porphyrin染料    13
1-6    釕金屬錯合物的光物理性質    15
1-7    研究目標    17
第二章    計算原理    19
2-1    量子力學    19
2-2    計算化學的理論與方法    20
2-2-1    分子力學    20
2-2-2    初始法(ab initio)    21
2-2-3    半經驗法    21
2-2-4    密度泛函理論    22
2-2-5    基底函數(Basis Sets)    23
2-3    計算方法    26
2-3-1    單點能量    26
2-3-2    幾何優化    26
2-3-3    振動頻率    27
2-3-4    溶劑效應    27
2-3-5    激發態的計算    29
2-4    本篇論文的計算方法    30
第三章    結果與討論    31
3-1    前言    31
3-2    幾何結構比較    32
3-3    電位的分析    34
3-4    分子軌域及電子結構的分析    37
3-5    電子激發態和吸收光譜的分析    42
3-6    YE05加入推拉電子基的影響    50
3-7    Ru-8-OQN 加入推拉電子基的影響    62
3-8    YE05_Y與Ru-8-OQN_X和電解質的計算分析    74
3-9    討論Ru-8-OQN低的光電轉換效率    85
第四章    結論    88
第五章    參考文獻    89

圖目錄
Figure 1: DSSC的結構圖12。    3
Figure 2: DSSC工作原理的路徑圖。    4
Figure 3: Air Mass 示意圖。    5
Figure 4: DSSC在1日光AM1.5的環境下測量的電流電壓圖。    6
Figure 5: N3、N719和Z907的結構圖。    8
Figure 6: K19、K77、C101、C102和CYC-B11結構圖。    8
Figure 7: N749的結構圖及其IPCE圖。    9
Figure 8: YE05的結構及其計算(紅線)和實驗(藍色虛線)的吸收光譜圖。    9
Figure 9: D-π-A 示意圖 (上)以及C219結構圖 (下)。    10
Figure 10: JK-45的HOMO和LUMO圖。    11
Figure 11: NKX-2311、NKX-2593和NKX-2677結構及其吸收圖譜。    11
Figure 12: indoline染料1-4結構圖。    12
Figure 13: C203、C206、C211、C217和C219結構圖。    12
Figure 14:Zn-1和N719的吸收光譜比較圖。    13
Figure 15:ZnTPP和DPA-ZnP-COOH的結構及HOMO和LUMO。    14
Figure 16:YD2和YD2-o-C8的HOMO和LUMO以及結構圖。    14
Figure 17: 釕錯合物(C3-symmetry)的分子軌域示意圖。    15
Figure 18:YE05、[Ru(dcbpy)2(8-OQN)]+和N3-dye的結構圖。    17
Figure 19: Ru-8-OQN和N3-dye在TiO2上的實驗吸收光譜。    18
Figure 20:勢能面（Potential Energy Surface, PES）的示意圖。    26
Figure 21:溶劑的反應場模型。    28
Figure 22:vertical和adiabatic excitation energies示意圖。    29
Figure 23: YE05、N3、Ru-8-OQN的幾何結構。    32
Figure 24:YE05、N3和Ru-8-OQN的電位圖及HOMO-LUMO gaps。    34
Figure 25:HOMO(Ground State)和LUMO(Excited State)的示意圖。    36
Figure 26: YE05、N3和Ru-8-OQN的能階圖。    38
Figure 27:YE05的電子結構圖。    39
Figure 28:N3的電子結構圖。    40
Figure 29:Ru-8-OQN的電子結構圖。    41
Figure 30: YE05、N3和Ru-8-OQN的計算吸收光譜圖    42
Figure 31:YE05的occupied (藍色)到unoccupied (紅色)圖。    47
Figure 32:N3的occupied (藍色)到unoccupied (紅色)圖。    48
Figure 33: Ru-8-OQN的occupied (藍色)到unoccupied (紅色)圖。    49
Figure 34:YE05_H、 YE05_Cl 、YE05_Br、YE05_I 和YE05_Me結構圖。    50
Figure 35: YE05_H、 YE05_Cl 、YE05_Br 和YE05_Me能階圖。    51
Figure 36:YE05_H的電子結構圖。    53
Figure 37:YE05_Cl的電子結構圖。    54
Figure 38:YE05_Br的電子結構圖。    55
Figure 39: YE05_I的電子結構圖。    56
Figure 40:YE05_Me的電子結構圖。    57
Figure 41: YE05、YE05_Cl、YE05_Br、YE05_I、YE05_Me和YE05_H的吸收光圖譜。    58
Figure 42: Ru-8-OQN_F、Ru-8-OQN_Cl、Ru-8-OQN_Br、Ru-8-OQN_I和Ru-8-OQN_Me的結構圖。    62
Figure 43: Ru-8-OQN_F、Ru-8-OQN_Cl、Ru-8-OQN_Br和Ru-8-OQN_Me能階圖。    63
Figure 44: Ru-8-OQN_F的電子結構圖。    65
Figure 45: Ru-8-OQN_Cl的電子結構圖。    66
Figure 46: :Ru-8-OQN_Br的電子結構圖。    67
Figure 47:Ru-8-OQN_I的電子結構圖。    68
Figure 48: Ru-8-OQN_Me的電子結構圖。    69
Figure 49: Ru-8-OQN_F、Ru-8-OQN_Cl、Ru-8-OQN_Br和Ru-8-OQN_Me的吸收光譜圖。    70
Figure 50: YE05-I、YE05_Cl-I、YE05_Br-I (上圖)、YE05_I-I、YE05_H-I和YE05_CH3-I (下圖)的結構圖。    74
Figure 51:Ru-8-OQN_F-I、 Ru-8-OQN_Cl-I、Ru-8-OQN_Br-I(上圖)、Ru-8-OQN_I-I、Ru-8-OQN -I和Ru-8-OQN_CH3-I(下圖)的結構圖。    75
Figure 52:YE05分子軌域示意圖。    76
Figure 53:YE05_X-I的HOMO、HOMO-1和HOMO-2圖。    79
Figure 54:Ru-8-OQN_X-I的HOMO、HOMO-1和HOMO-2圖。    80
Figure 55: (a)YE05的HOMO、HOMO-3和HOMO-4電子結構圖；(b) Ru-8-OQN的HOMO、HOMO-3和HOMO-4電子結構圖。    85
Figure 56: DSSC裝置的Nyquist示意圖。    86
Figure 57: (a) N3 DSSC (b) Ru-8-OQN DSSC裝置的Nyquist圖。    87
表目錄
Table 1:YE05、N3、Ru-8-OQN的鍵長鍵角表。    33
Table 2: YE05、N3和Ru-8-OQN實驗和計算上的HOMO和LUMO能量，以及HOMO-LUMO gaps。    35
Table 3: YE05、N3和Ru-8-OQN的軌域能量表。    38
Table 4: YE05的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    44
Table 5:N3的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    45
Table 6:Ru-8-OQN的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    46
Table 7: YE05_H、 YE05_Cl 、YE05_Br、YE05_I和YE05_Me軌域能量表。    51
Table 8:YE05_Cl的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    59
Table 9:YE05_Br的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    59
Table 10:YE05_I的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    60
Table 11:YE05_H的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    60
Table 12: YE05_Me的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    61
Table 13: Ru-8-OQN_F、Ru-8-OQN_Cl、Ru-8-OQN_Br和Ru-8-OQN_Me的軌域能量表。    63
Table 14:Ru-8-OQN_F的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    71
Table 15:Ru-8-OQN_Cl的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    72
Table 16:Ru-8-OQN_Br的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    72
Table 17:Ru-8-OQN_I的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    73
Table 18: Ru-8-OQN_Me的激發態能量、osillator strength和軌域貢獻表。    73
Table 19:YE05 HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    81
Table 20:YE05_Cl HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    81
Table 21:YE05_Br HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    81
Table 22:YE05_I HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    82
Table 23:YE05_H HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    82
Table 24:YE05_Me HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    82
Table 25:Ru-8-OQN_F HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    83
Table 26:Ru-8-OQN_Cl HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    83
Table 27:Ru-8-OQN_Br HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    83
Table 28:Ru-8-OQN_I HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    84
Table 29:Ru-8-OQN HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    84
Table 30:Ru-8-OQN_Me HOMO到HOMO-6的能量和population分析以及I-的能量表。    84

                                

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