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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
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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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