基于D-A及D-A-D结构有机太阳能电池材料的密度泛函研究

【摘要】：近年来,有机太阳能电池因为其价格低、质量轻、弹性好和容易加工成大面积柔性器件等优点而收到广泛的关注。在过去的十年里,有机太阳能电池取得了较大的进步,其光电转换率己超过9%。然而其相较于无机半导体太阳能电池低的光电转换率仍然是其推广的重大障碍。量子化学计算不仅能够解释光电转换原理,而且能够预测新型的具有优良光伏性能的有机材料,这对改善有机太阳能电池的性能是一项非常重要的工作,因此,本文采用密度泛函理论研究解释了芴类化合物和三苯胺-苯并噻二唑衍生物的光电转换原理及其光电性质,在此基础上设计了几种新型的化合物并预测了它们的光伏性质。 1.几种二噻吩噻咯衍生物的密度泛函研究 PDTSDPP和PDTSPh是基于二噻吩噻咯(DTS)单元的已经被合成且应用的聚合物,我们在分子层面用密度泛函理论计算了电子结构和光学性质,并在该基础上设计了两种新型的分子,也计算了分子的前线分子轨道水平、带隙、模拟吸收光谱和空穴传输速率等参数。研究表明,PDTSDPP、PDTSPh具有较低的HOMO能量水平和较窄的带隙,并具有较好的捕获光量子的能力、较小的空穴重组能和较好的光伏性质,这与其实验结果一致。此外,与PDTSDPP、PDTSPh相比,PDTSFDPP、PDTSFPh拥有更低的HOMO能级及更窄的带隙,是潜在的光伏材料。 2.几种D-A-D型结构有机太阳能电池材料的密度泛函研究 三苯胺(TPA)是被广泛应用的小分子供体材料,它可以增强分子的成膜能力以增大入射光的入射截面以及增大光敏活性层的电荷传输效率。另外,三苯胺(TPA)有较高的氧化电位,所以就可以预测应用它作为供体材料的光伏电池有较大的开路电压(Voc)。众所周知,苯并噻二唑的环结构容易被修饰,具有很高的电子亲和势。D-A-D型分子具有较小的能隙可以提高分子光子捕获能力和电荷迁移率。因此我们设计了一系列以三苯胺(TPA(D)),苯并噻二唑(DBT(A))为基础的具有不同吸电子单元的D-A-D型小分子低聚物供体材料。并用密度泛函(Density Functional Theory,DFT)方法研究了这些分子的结构和电子性质、分子前线轨道和电荷传输性质。计算结果列出了分子的HOMO、LUMO和能隙,其中具有掺杂氮原子的吸电子单元的分子的电子转移特性明显,这种设计不仅仅能降低HOMO、LUMO和能隙,还可以提高分子的电荷转移能力。而且可以使分子的最大吸收波长红移,保证器件有很大的开路电压(Voc),从而能更有效地吸收和利用太阳光。通过分析他们的电离势和电子亲和势表明,它们的电子注入能力和电荷解离的能力受到HOMO、LUMO能级水平的影响,这些结论指出所有被研究的分子(除了TPABO)都具有比TPABT还好的电子传输性能(从4.71到12.30×1013s-1)。 【关键词】：密度泛函理论 有机太阳能电池材料 共轭聚合物 共轭低聚物 传输速率
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O641;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第一节 前言9-27
• 1.1 有机太阳能电池材料的研究现状9-10
• 1.2 有机太阳能电池的结构和原理10
• 1.3 基本原理10-13
• 1.3.1 电荷传输理论10-11
• 1.3.2 Marcus电荷转移理论11-13
• 1.4 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)13-16
• 1.4.1 基本原理14-15
• 1.4.2 常用的DFT方法15-16
• 1.5 AIM(atom in molecular)16-18
• 1.6 自然键轨道理论(Nautual Bond Orbital,NBO)18-19
• 1.7 电流密度与核独立化学位移(NICS)~(50-51)19-21
• 1.8 课题内容21-22
• 参考文献22-27
• 第二节 四种二噻吩噻咯衍生物的光伏性能的理论研究27-35
• 2.1 前言27
• 2.2 理论方法27-28
• 2.3 结果与讨论28-32
• 2.3.1 聚合物的稳定性28-29
• 2.3.2 聚合物的开路电压29-30
• 2.3.3 聚合物短路电流的主要影响因素的研究30-32
• 2.4 结论32-33
• 参考文献33-35
• 第三节 具有不同吸电子单元的D-A-D型供体小分子的相关设计和理论研究35-53
• 3.1 前言35-36
• 3.2 计算方法36-37
• 3.3 结果和讨论37-47
• 3.3.1 分子结构和电子性能37-40
• 3.3.2 分子的前线轨道40-41
• 3.3.3 吸收光谱41-45
• 3.3.4 电荷转移性质45-47
• 3.4 结论47-49
• 参考文献49-53
• 已发表论文53-55
• 致谢55

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