- 學位論文
生物色素太陽電池光電特性之量子化學計算與光譜量測
Quantum Chemistry Simulations and Spectroscopic Measurements for Biological Pigment Solar Cells
摘要
植物體具有相當良好的光電轉換系統可以把光能百分百轉換並儲存。除了歸功於精確的分子與酵素間的作用，植物蘊含的色素分子對高光電效率也具有相當貢獻，亦相當便宜且隨處可得。有鑑於此，發展植物色素做為染料敏化太陽電池的替代昂貴釕染料是一個相當具有潛力的研究方向。 本研究內容即從微觀的角度分別探討天然色素，葉綠素a(chlorophyll a)及其衍生分子二氫卟吩(chlorin)、還有矢車菊花青素(cyanidin)。利用密度泛函理論(density functional theory, DFT)原理與方法，模擬計算葉綠素與花青素染料分子的結構特性與光電性質，並做進一步的探討以及預測分析。建立天然色素chlorophyll a、chlorin和cyanidin的原子模型後，利用此模型進行結構最佳化、分子間共振頻率、單點能量等一系列計算，最後分析模擬計算的結果即可得到分子能量(molecular energies)、熱化學分析(thermochemical properties)、分子軌域(molecular orbital)、能隙(band gap)、紫外線可見光譜(UV/VIS spectrum)等所需數據。此外，染料分子的溶劑效應以及pH值等影響也一併計算分析。 在實驗部分使用紫外可見光度計（UV/VIS spectrophotometer）量測由榕樹萃取出之葉綠素以及紫色甘藍菜萃取之花青素，與模擬計算的紫外可見吸收光譜圖比對後，其結果都是相符的。本論文進而利用計算量子化學分析葉綠素和花青素對於電極的吸附以及電子注入等輸送狀況，找出葉綠素與矢車菊花青素內部電子躍遷至光電極的路徑不連續，是造成生物色素太陽電池效能偏低之真正原因，並提出未來改進方式，達到高科技、低成本、高效率太陽電池目標。