具有高短路電流特性的D-A共聚物給體材料的理論研究.pdf

1、高效本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池研究的重要方面之一是D-A共聚物給體材料的合理設(shè)計。本論文分別選取10種供體D單元和10種受體A單元，采用密度泛函理論，模擬了D、A單元及其相應(yīng)共聚物的結(jié)構(gòu)和帶隙變化。在此基礎(chǔ)上，研究了三種高短路電流給體材料P1（PDTG-PT）、P2（PNTz4T）、P3（DPPTT-T）的電子結(jié)構(gòu)特性。通過分析其分子鏈構(gòu)象、Bader電荷轉(zhuǎn)移等性質(zhì)，表明他們是高短路電流有機(jī)太陽能電池D-A型給體材料的理想選擇。具體結(jié)果如下：

2、
　?。?）本文首先討論了稠合噻吩環(huán)個數(shù)（1至6個噻吩環(huán)）對帶隙值的影響。結(jié)果顯示，并二噻吩的帶隙值最小，隨著噻吩環(huán)數(shù)目的增加，其帶隙值有增大趨勢。同時，這種趨勢隨著噻吩環(huán)個數(shù)的增多逐漸減弱。其次，苯環(huán)稠合噻吩環(huán)結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的個數(shù)對帶隙值也有較大影響。本文計算的D7、D9、D10的帶隙值依次為1.34eV、1.24eV、0.97eV。能夠看出，隨著苯環(huán)數(shù)目的增多，它們的帶隙值依次減小。
　?。?）對噻吩并噻吩和苯并二噻吩同分異

3、構(gòu)體帶隙值的計算結(jié)果顯示：S原子分布在分子鏈兩側(cè)，鏈間空間位阻較小，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的帶隙值較??；S原子分布在分子鏈同側(cè)，鏈間空間位阻較大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的帶隙值較大。本文計算的D3、D4結(jié)構(gòu)帶隙值依次為0.89eV、1.94eV，D7、D8結(jié)構(gòu)帶隙值依次為1.34eV、1.55eV。另外，橋原子替代對帶隙值產(chǎn)生較大影響。
　?。?）含有噻唑單元和噻二唑單元的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的得電子能力，原因是噻唑環(huán)和噻二唑環(huán)中都含有碳氮雙鍵，碳氮雙鍵上的未成對電

4、子使得這兩類結(jié)構(gòu)更容易得到電子。本文的計算結(jié)果顯示，在同等情況下，含有噻二唑環(huán)的結(jié)構(gòu)比含有噻唑環(huán)的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的得電子能力。另外，結(jié)構(gòu)中含有內(nèi)酰胺基團(tuán)時也具有較強(qiáng)的得電子能力。
　?。?）本文對P1、P2、P3三種材料的計算表明：基于P1、P2、P3光伏器件出現(xiàn)高短路電流的原因一方面是因?yàn)闃?gòu)成聚合物本身的供體單元或受體單元的帶隙值較小，另一方面是因?yàn)椴牧献陨砭哂袃?yōu)良的晶化性能與較好的立構(gòu)規(guī)整性。另外，分子鏈構(gòu)象的結(jié)果表明：P1的二

5、級結(jié)構(gòu)為螺旋型構(gòu)象，P2和P3的二級結(jié)構(gòu)為直鏈型構(gòu)象；差分電荷密度的結(jié)果表明：螺旋型構(gòu)象的P1結(jié)構(gòu)D、A單元之間的電荷轉(zhuǎn)移較少，直鏈型構(gòu)象的P2和P3結(jié)構(gòu)的D、A單元之間電荷轉(zhuǎn)移量較多。
　?。?）模擬DPPX-T系列聚合物的帶隙發(fā)現(xiàn)，其帶隙值隨著O、S、Se、Te原子半徑的增加逐漸減小。另外，差分電荷密度的結(jié)果表明，單噻吩π橋在D-A共聚物內(nèi)充當(dāng)更多受體單元的作用，與此相反，P3結(jié)構(gòu)的并噻吩π橋充當(dāng)更多供體單元的作用。