臺灣博碩士論文加值系統

本研究之中所比較的中心金屬分別為鋅、鎳、鉻與鐵皆為全填滿組態(closed-shell)，且都在文獻上找到具備四方平面(Square planar)之四配位結構的晶體資料數據，因此可以利用此可能形成的結構加以討論計算與相互比較，達到化學分子尚未合成之前能夠加以評估之目的。在此我們運用B3LYP計算方法比較異核中心金屬紫質環狀分子結構，從其能階等計算數據相互比較，期望能從其中找出一些規則，並將其應用於染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)之合成設計評估，快速的得到初步評估的有效方向。
計算結果指出，在相同的中心金屬比較，其能階大小順序為MTPLA系列＜MTPB系列＜MTPP系列，其中MTPLA含有氰基官能基，MTPB則是苯甲酸基，MTPP則為沒有取代基的型式，得知藉由LUMO接受者以氰基官能基取代，可以有效地降低其LUMO的能階，而且其HOMO下降值較LUMO小，造成MTPLA系列的能隙較低，而電子從HOMO躍遷至LUMO時所損耗的能量較少。
進一步從電子密度的分佈來探討其HOMO與LUMO的情形，MTPLA系列的有機金屬錯合物，因為氰基官能基在LUMO接受者所造成的影響，使得HOMO躍遷至LUMO能階時，電子密度大部份皆往羧基官能基的方向轉移，此種轉移有利於電子的傳導。

In this study, the metal ions in the central of major compound respectively are zinc (II), nickel (II), chromium (II) and iron (II) with close shell configurations, and all of these can all be found out the crystal data of four coordinations structure of having square planar data on the cultural heritage. Therefore, we can make use of this structure that may be formed to discuss, calculate and compare mutually, and that can achieve the purpose of evaluating before the chemistry molecule hasn’t been synthesized. We take advantage of the B3LYP calculation to mutually compare, expecting to find out some rules among them, and apply it to design an assessment at the synthesis of dye sensitizing solar cell, quickly get the effective direction of initial assessment.
The computation results pointed out that among the comparison of the same central metal, the step size order of its energy gap are MTPLA series < MTPB series < MTPP series. MTPLA includes the cyano function group, and MTPB includes the benzoic acid group, but MTPP is without the substituting group. It revealed that the LUMO receptor by cyano function group can reduce its LUMO effectively. Moreover, its HOMO drop value compared to LUMO’s is smaller, causing the energy gap of the MTPLA series to be lower. The electrons from the HOMO to LUMO lose less energy.
Furthermore, the distributions of electron density were discussed, especially in the HOMO and LUMO states. The MTPLA series with cyano function group have high electron density near the carboxyl group in the LUMO state. When the electrons transition arise from HOMO to LUMO, the electron density shift from central metal to carboxyl group. This kind of transfer would be beneficial for developments of dye sensitizing solar cell.

頁次
謝誌 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 能源的種類 2
1.3太陽能電池簡介 5
1.3.1 太陽能電池的種類 7
1.3.2染料敏化太陽能電池發展歷史 12
1.3.3染料敏化太陽能電池組成結構 17
1.3.4染料敏化太陽能電池工作原理 21
1.4染料敏化太陽能電池存在的問題 22
1.5 研究動機 23
第二章 原理與方法 25
2.1 量子力學 25
2.1.1 薛丁格方程式 26
2.1.2 波爾—歐本海莫近似法 27
2.1.3 多電子波函數 28
2.1.4 矩陣力學 30
2.2 計算方法 31
2.2.1 基底函數組 31
2.2.2 基底函數組效應 34
2.2.3 Hartree — Fock方程式 39
2.2.4密度泛函數理論 44
2.2.5 半經驗計算方法 48
第三章 研究設備 59
3.1 硬體設備 59
3.2 軟體設備 62
第四章 結果與討論 64
4.1 文獻回顧 64
4.2 計算方法比較 68
4.2.1 TPP與MTPP系列 74
4.2.2 數據結果比較 75
4.3 TPB 79
4.3.1 MTPB系列 79
4.3.2 數據結果比較 80
4.3.3 MTPP與MTPB系列比較 86
4.4 TPLA 88
4.4.1 MTPLA 系列 88
4.4.2 數據結果比較 89
4.4.3 MTPP與MTPLA系列比較。 95
4.5 綜合比較 98
4.5.1總能比較 98
4.5.2 能隙比較 101
第五章 結論 103
參考文獻 104

表 目 錄
表1-1 銳鈦礦與金紅石的物理性質比較。 18
表2-1 半經驗方法（Semiempirical Method）的發展過程。 58
表4-1 不同計算方法搭配6-31G（d）基底函數能階與總能比較。 69
表4-2 不同計算方法搭配6-31G（d）基底函數與實驗值結構
的比較。71
表4-3 ZnTPP 以B3LYP 方法搭配不同基底函數的結構比較。 73
表4-4 TPP 與MTPP 之能階與總能比較。 75
表4-5 TPB 和MTPB 之能階與總能。 80
表4-6 MTPB 之理論計算光譜數據。 85
表4-7 TPLA 和MTPLA 之能階與總能比較。 90
表4-8 MTPLA 之理論計算光譜數據。 95


圖 目 錄
圖1-1 台灣能源使用分佈圖。 2
圖1-2 能源的種類。 3
圖1-3 2100 年前，主要能源分佈圖。 7
圖1-4 太陽能電池的種類與效能。 7
圖1-5 染料敏化太陽能電池的里程碑。 13
圖1-6 N3-dye 化學結構圖。 14
圖1-7 Black-dye 化學結構圖。 16
圖1-8 N719-dye 化學結構圖。 16
圖1-9 N719、N3 和 N712 吸附在厚度 7 μm 二氧化鈦的吸
收波長。20
圖1-10 染料敏化太陽能電池原理。 22
圖4-1 太陽光譜分佈圖。 64
圖4-2 紫質環狀染料分子結構。 66
圖4-3 Hyperchem 所建構之ZnTPP 模型。 68
圖4-4 不同計算方法搭配6-31G（d）的相對總能比較。 69
圖4-5 不同計算方法搭配6-31G（d）與實驗能階比較。 70
圖4-6 ZnTPP 結構與位置編號。 70
圖4-7 不同計算方法與實驗值的MAE 比較。 72
圖4-8 MTPP 結構，中心金屬分別為鋅、鎳、鐵與鉻。 74

圖4-9 TPP 與MTPP 之能階分佈。 76
圖4-10 TPP 與MTPP 系列的能階比較。 76
圖4-11 ZnTPP、NiTPP、CrTPP 與 FeTPP 從最高填滿分子
軌域到次低未填滿分子軌域。78
圖4-12 紫質環狀染料分子 TPB 結構。 79
圖4-13 MTPB 結構，中心金屬分別為鋅、鎳、鐵與鉻。 80
圖4-14 TPB 與MTPB 之能階分佈。 81
圖4-15 TPB 與MTPB 之能階比較。 82
圖4-16 ZnTPB、NiTPB、FeTPB 與 CrTPB 從最高填滿分子
軌域到次低未填滿分子軌域。84
圖4-17 TPP、TPB、MTPP 與 MTPB 總能比較。 86
圖4-18 TPP、TPB、MTPP 與MTPB 之能階能量分佈。 87
圖4-19 紫質環狀染料分子 TPLA 結構。 88
圖4-20 MTPLA 結構，中心金屬分別為鋅、鎳、鐵與鉻。 89
圖4-21 TPLA 與MTPLA 之能階分佈。 91
圖4-22 TPLA 與MTPLA 之能階比較。 92
圖4-23 ZnTPLA、NiTPLA、FeTPLA 與CrTPLA 從最高填
滿分子軌域到次低未填滿分子軌域。94
圖4-24 TPP、TPLA、MTPP 與MTPLA 之總能比較。 96
圖4-25 TPP、TPLA、MTPP 與MTPLA 之能階分佈。 97
圖4-26 全系列總能比較。 98
圖4-27 MTPP、MTPB 與 MTPLA 總能趨勢比較。 99
圖4-28 金屬與不含金屬的總能差 100
圖4-29 全系列有機金屬錯合物的能隙 102

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