染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell)简称DSSC,是一种新型的第三代太阳能电池,DSSC利用染料有机分子吸收太阳光来把太阳能转换成电能,这种电池不仅具有造价成本低、制作工艺简单、原材料丰富等优点,而且具有较高的光电转换效率和良好的热稳定性,引起全世界各国许多科研机构和团体的密切关注。而针对如何提高DSSC的光电转换效率是目前的研究热点,光敏化剂能够吸收太阳光并引起最初期的电子激发反应,是整个DSSC中的中枢部分,寻找优良的染料光敏化剂对DSSC的发展以及市场应用有着极为重要的意义。基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT),本论文通过构建多种不同体系的纳米复合结构用来作为光敏化剂的可行性进行了一系列的理论模拟研究。主要完成了以下几个方面的内容:1.卟啉作为太阳能电池敏化剂已经被许多科研团队进行过报道研究,但是卟啉在400-600纳米波长的光照范围内光吸收较差。为了改善卟啉分子的光吸收性能,我们构建了石墨烯量子点(GQD)-四苯基卟啉(TPP)纳米复合结构体系。利用DFT和TDDFT方法对GQD-TPP纳米复合结构作为太阳能电池敏化剂进行了理论计算研究。首先构建了GQD-TPPs类以及TPP-GQDs类纳米复合结构并进行了结构优化,通过频率分析验证了所构建纳米复合结构的能量稳定性,并且通过验证电荷的空间分离情况和能级关系证实纳米复合结构作为敏化剂的可行性。用TDDFT方法计算了纳米复合结构的光学性质,观察到纳米复合结构有明显的光吸收增强现象。最终研究发现GQD-3TPPs有明显的电荷的空间分离,合适的分子轨道能级和良好的电子传递驱动力,可以作为DSSC的有利敏化剂候选结构。2.对GQD-酞菁(Pc)、GQD-四苯并卟啉(TBP)、GQD-四苯并三氮杂卟啉(TBTAP)、GQD-顺式四苯并二氮杂卟啉(TBDAP)、GQD-四苯并氮杂卟啉(TBMAP)纳米复合结构以及GQD与这五种结构的铜金属化合物杂化的纳米复合结构作为DSSC敏化剂进行了理论研究。首先,对构建的十种纳米复合结构进行了全面模拟优化,通过谐频分析证实了所得结构的能量稳定性。其次,对十种纳米复合结构作为太阳能电池敏化剂的电荷空间分离,电子转移,分子轨道能级和光吸收特性进行了研究计算。结果表明,所有的纳米复合结构在可见光范围内的光吸收有明显增强,而且它们的分子轨道能级都满足敏化剂的要求。然而,十种纳米复合结构中只有两种展现出明显的空间分离电荷,而GQD-Pc、GQD-Cu-TBP两种结构有合适的分子轨道能级和电子传递驱动力、以及低的电子空穴复合率,是最适合的候选DSSC敏化剂。3.对GQD-吩噁嗪基染料纳米复合结构作为DSSC敏化剂进行了理论模拟计算。首先对不同的四种石墨烯量子点(GQD1、GQD2、GQD3、GQD4)与两种吩噁嗪基染料(POXB、POXP)构建的八种纳米复合结构进行了全面结构优化。相同的,通过结构是否含有虚频分析证实了所得纳米复合结构的能量稳定性。通过电荷的空间分离研究和分子轨道能级的研究确认各种纳米复合结构作为太阳能电池的敏化剂的可行性。结果表明,所有的纳米复合结构在可见光范围内的光吸收明显增强,并且满足敏化剂能级条件。GQD4-POXB除了满足敏化剂的要求外,表现出明显的电荷空间分离,是一种非常有希望的候选材料作为DSSC的敏化剂,这些发现有助于设计新式纳米复合结构作为DSSC敏化剂提高光吸收来改善电池光电转换效率。