新型太阳能电池受体富勒烯衍生物结构与光电性质研究及分子设计

【摘要】：近年来，通过引入功能性官能团调节富勒烯分子的能级结构及电荷转移效率，提高材料的光电性能是改良材料、探索新型太阳能电池材料的重要手段之一。然而，对于富勒烯材料的结构以及光谱性能、光电转换机理的关系还不太明确，相关方向的理论研究较少。本论文运用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法的不同泛函和基组分别计算了PCBM体系的第一激发能，并结合实验值选择了合适的泛函和基组对该类体系的光谱性质进行了讨论。在此基础之上，设计了系列不同桥及取代基的富勒烯分子，着重研究了其分子结构与光电性能、结构与载流子传输特性及电子结构等之间的关系，为设计合成新型高效聚合物太阳能电池受体材料提供了重要的理论依据。 研究结果表明：1) TD-O3LYP/6-31G*能够很好的重复PCBM及其衍生物的电子吸收光谱，适合用来研究PCBM系列体系的低激发态电子跃迁性质；实验上测得的最大光电转换效率，波长为430nm处产生的吸收主要是由苯环到碳笼的电荷转移(LCT)产生的吸收，是明显的电荷转移带。2) PCBM衍生物的吸收光谱的特征受到桥原子的诱导效应的影响较小，主要取决于富勒烯笼内的π共轭结构的影响。硼桥PC70BM化合物BP7作为受体材料可以从开路电压以及电子传输速率等方面提高太阳能电池的光电转换效率。 【关键词】：太阳能电池 富勒烯 电子吸收光谱 电荷转移 密度泛函理论
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O641.4;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-7
• 第一章 绪论7-11
• 1.1 引言7
• 1.2 有机聚合物太阳能电池的结构及工作原理7-8
• 1.2.1 聚合物太阳能电池结构7-8
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理及性能表征8
• 1.3 有机聚合物太阳能电池受体材料8-10
• 1.3.1 富勒烯衍生物9-10
• 1.4 研究背景与内容10-11
• 第二章 理论基础与计算方法11-21
• 2.1 密度泛函理论11-21
• 2.1.0 Hohenberg Kohn定理11-12
• 2.1.1 Kohn-Sham方程12-14
• 2.1.2 局域密度近似（LDA）14
• 2.1.3 广义梯度近似（GGA）14-15
• 2.1.4 杂化泛函（H-GGA）15-16
• 2.1.5 含时密度泛函理论16-21
• 第三章 PCBM 及其衍生物电荷转移态研究-泛函、基组、溶剂化效应评价21-32
• 3.1 引言21-22
• 3.2 计算方法22-23
• 3.3 结果与讨论23-30
• 3.3.1 电子吸收光谱拟合23-28
• 3.3.2 电荷转移激发态28-29
• 3.3.3 PCBM衍生物电子吸收光谱性质29-30
• 3.4 结论30-32
• 第四章 新型太阳能电池受体 B、N 桥 PCBM 衍生物结构及光物理性质研究32-42
• 4.1 前言32-34
• 4.2 计算方法34
• 4.3 结果与讨论34-41
• 4.3.1 几何结构34-35
• 4.3.2 前线分子轨道35-40
• 4.3.3 重组能及电子亲和势40-41
• 4.4 结论41-42
• 参考文献42-52
• 致谢52-53
• 在学期间公开发表论文及著作情况53

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