DA交替型有機(jī)太陽能電池供體材料的分子設(shè)計(jì)及其光電性能的理論研究.pdf

1、本文主要運(yùn)用密度泛函理論（DFT）和含時(shí)密度泛函理論（TD-DFT）研究了三種DA交替型有機(jī)太陽能電池供體材料的光電性能。我們通過對(duì)聚合物供體材料以及小分子供體材料的計(jì)算，探討分子結(jié)構(gòu)與分子性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。我們的主要目的是提供一套有效的供體分子的設(shè)計(jì)策略，給實(shí)驗(yàn)工作一些指導(dǎo)。
　　第一節(jié)簡(jiǎn)要介紹了有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其工作原理，同時(shí)也對(duì)有機(jī)太陽能電池中的電子供受體單元，以及有機(jī)太陽能電池的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。另外，我們還闡述

2、了本文所做工作的意義。
　　第二節(jié)詳細(xì)介紹了本文主要采用的理論計(jì)算方法：DFT和TD-DFT。在此基礎(chǔ)上，我們還介紹了一些其他重要的理論分析方法和手段：如分子中的原子（AIM）理論，自然成鍵軌道（NBO）分析和核獨(dú)立化學(xué)位移（NICS）分析。另外，我們還簡(jiǎn)要介紹了Marcus理論在電子轉(zhuǎn)移研究中的相關(guān)應(yīng)用。
　　第三節(jié)采用DFT和TD-DFT模擬了含有苯并二噻吩（BDT）單元和噻吩并吡咯二酮（TPD）衍生物單元的一系列新穎共

3、聚物。系統(tǒng)地研究了在TPD衍生物中使用不同的硫族噻吩以及在N原子上引入不同吸電子能力的功能基團(tuán)（如甲基、氟原子、磺?；颓杌?duì)分子幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、光伏性能和分子堆疊以及空穴遷移率的影響。這個(gè)取代位置上的吸電子基團(tuán)（特別是氟和氰基）與鄰近的供體單元只產(chǎn)生很小的位阻。研究結(jié)果表明引入這些新的缺單子取代基和硫-硒交換能用于進(jìn)一步修飾和優(yōu)化已有的分子結(jié)構(gòu)。
　　第四節(jié)基于已經(jīng)合成出來的小分子供體（1s），我們采用DFT

4、、TD-DFT和馬庫斯理論設(shè)計(jì)并表征了六個(gè)新的A-A-D-A-A型小分子供體。通過計(jì)算前線分子軌道能級(jí)和光譜性質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)隨著供體分子中雙噻吩間的芳香稠環(huán)的增加，HOMO能級(jí)升高而能隙（Eg）減小。此外，為了深入研究有機(jī)太陽能電池中電荷轉(zhuǎn)移和傳輸性質(zhì)與短路電流（JSC）的關(guān)系，我們還考察了分子激發(fā)態(tài)的特征、電離勢(shì)（IPs）和電荷傳輸性質(zhì)。結(jié)果表明化合物3c，3n和3o具有比母本分子（1s）更可觀的JSC和更好的光電性能，并且在有機(jī)小分子

5、太陽能電池中具有很大潛力。
　　第五節(jié)從理論的角度研究含有DPP及其衍生物的小分子供體。采用內(nèi)酰胺-內(nèi)酰亞胺和烷氧基-硫氧基這兩種變換對(duì)吡咯并吡咯二酮（DPP）及其衍生物進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)微調(diào)。結(jié)構(gòu)微調(diào)導(dǎo)致相連的吡咯環(huán)衍生物的芳香性被打破。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)降低供體的HOMO能級(jí)和能隙。比起母本分子，結(jié)構(gòu)調(diào)整之后的小分子供體不僅吸收光譜紅移，而且顯示出更大的空穴傳輸速率，更大的填充因子，更大的開路電壓和更高的太陽能電池效率。此外，我們