基于噻吩齊聚物的有機太陽能電池給體材料的分子設計.pdf

1、有機太陽能電池由于其質(zhì)量輕,易于在分子水平上加工和改性,所以引起了研究者的廣泛關注。利用量子化學方法研究有機太陽能電池材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關系已經(jīng)成為材料科學中不可或缺的手段。本文的目的在于利用量子化學手段,選擇合適的模型與方法,對寬吸收光譜機制進行模擬和解釋,并在此基礎上對分子進行有目的的化學修飾,對其電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)、傳輸性能和穩(wěn)定性進行理論預測,從理論上評價設計分子的性能,為新型有機太陽能電池給體材料的分子設計提供理論依據(jù)。本論

2、文的研究工作主要包括以下四個方面的內(nèi)容:
　　 1、采用密度泛函方法,對齊聚噻吩(OT)和齊聚噻吩乙烯(OTV)的寬吸收光譜機制進行理論模擬和解釋。計算結(jié)果表明,OT和OTV具有寬吸收光譜的原因是各種構(gòu)象和／或構(gòu)型同分異構(gòu)體具有相似的能量而同時存在,而它們的吸收光譜又不盡相同。同時,綜合評價了分子的電荷傳輸和穩(wěn)定性能。事實證明,我們的計算結(jié)果與實驗結(jié)果相符,同時也證明了我們在計算中采用的理論計算方法和基組是可靠的,為下一步分子設

3、計提供有效手段。
　　 2、采用已確定的理論計算方法和基組,研究了OT和OTV衍生物的拓撲結(jié)構(gòu)(V-型與線型)與其電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)、電荷傳輸性能和穩(wěn)定性之間的關系。拓撲結(jié)構(gòu)對于分子的前線軌道能級影響很大。因為間位取代導致共軛性不好,所以間位取代苯環(huán)為中心的V-型OT衍生物具有較大的能隙。苯環(huán)為封端基團時,會使分子的最大吸收波長發(fā)生紅移。間位取代苯環(huán)為中心V-型OTV衍生物具有最好的電荷傳輸性能。同時,由于具有較小的電子和空穴重

4、組能的差值,所有分子都可以作為雙極性電荷傳輸材料。靜電勢能結(jié)果表明苯環(huán)作為中心的分子的穩(wěn)定性要高于苯環(huán)作為封端基團的分子的穩(wěn)定性。在此基礎上,利用外推方法設計出相應聚合物(1,2,4-取代苯環(huán)為中心,OTV為側(cè)鏈),其性能優(yōu)于現(xiàn)在廣泛應用的聚噻吩。
　　 3、我們將噻吩并[3,2-b]噻吩和它的類似物以及拉電子(-NO2)和／或推電子取代基(-OCH3)分別引入OTV來調(diào)節(jié)母體分子的電子和光譜性質(zhì),在理論上確定了進一步增加吸收光

5、譜范圍的有效方式以及獲得高性能的太陽能電池給體材料。我們也研究了所有分子的電荷傳輸性能和穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明,噻吩并[3,2-b]噻吩及其類似物作為中心對分子的前線軌道能級、能隙和吸收光譜的影響較小。與母體分子相比,含有-NO2和／或-OCH3取代基的OTV衍生物的吸收光譜發(fā)生了明顯的紅移。根據(jù)重組能數(shù)據(jù),1,4-雙氫吡咯并[3,2-b]吡咯為中心以及-NO2取代基都可以提高OTV衍生物的電荷傳輸性能。所有分子都可以作為雙極性電荷傳輸材

6、料。含有-NO2取代基的分子具有較高的穩(wěn)定性。
　　 4、考慮到太陽能電池給體材料的前線分子軌道能級要與受體材料的前線分子軌道能級匹配,所以我們選擇典型的富勒烯衍生物作為受體材料,利用三苯胺(TPA)、4,7-雙噻吩基苯并[c][1,2,5]噻重氮(DBT)和五聚噻吩(5Th)三個構(gòu)筑單元設計構(gòu)建前線分子軌道適合、寬光譜強吸收、高且平衡的電荷傳輸以及良好穩(wěn)定性的新型給體分子來提高太陽能電池的效率。采用已確定的理論計算方法和基組,

7、預測了其電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)、電荷傳輸性能。計算結(jié)果表明,TPA(DBT-TPA-5Th)作為中心會使分子的HOMO能級降低、LUMO能級升高以及能隙增大(與DBT和5Th相比)。DBT(TPA-DBT-5Th)為中心的分子的吸收光譜范圍最大(與TPA和5Th相比)。我們在母體分子TPA-DBT-5Th中引入不同連接方式(乙烯、乙炔和苯基)和拉-電子取代基(-NO2和-CN)來調(diào)節(jié)其電子和光譜性質(zhì)。乙烯和乙炔作為連接橋是降低能隙、增加吸收