有機太陽能電池供受體材料的分子設(shè)計和光伏性能研究.pdf

1、太陽能作為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，有機太陽能電池作為它的主要應(yīng)用者之一具有制備工藝簡單、易加工、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點，在人類生產(chǎn)、生活中占有重要地位。為了研究活性層中材料中分子結(jié)構(gòu)，對有機太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率的影響，一系列新的材料分子(包括小分子受體材料和聚合物供體材料)在本文中被設(shè)計出來，就上述問題進行探討?；诹孔踊瘜W(xué)理論、密度泛函理論和含時密度泛函理論，我們研究了三種活性層材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。并通過馬庫斯轉(zhuǎn)移理論和第

2、一性原理，模擬了其各自的電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)，計算出各分子間的載流子遷移率。本文的主要目的是從理論上，定性地解釋通過修飾分子結(jié)構(gòu)改變材料分子的相關(guān)性質(zhì)，為實驗合成提供有效的設(shè)計策略和可靠的理論指導(dǎo)。主要內(nèi)容包括：
　　第一節(jié)：主要介紹有機太陽能電池的發(fā)展史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、器件的組成結(jié)構(gòu)及其工作原理、一些活性層材料的綜述以及本文的選題意義。
　　第二節(jié)：該章主要闡述了本文在計算過程中，主要用到的理論方法(密度泛函理論、含時密度泛函理

3、論和馬庫斯理論)和計算手段。詳細介紹了每個理論的原理，并列舉了體系中所用的計算公式。此外，我們還簡單介紹了有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的表征方式和影響各參數(shù)的主要因素。
　　第三節(jié)：本章我們通過在A單元(TPD)引入不同的環(huán)狀化合物(呋喃、噻吩和苯)和吸電子取代基（OCH3、 F、 CN)，設(shè)計了一系列不同的共軛D-A聚合物以研究取代基對聚合物太陽能電池性能的影響。設(shè)計這些分子的主要目的是為了回答以下兩個問題：一是取代基是如何影響聚

4、合物基態(tài)結(jié)構(gòu)性質(zhì)；二是取代基的引入對材料的電學(xué)、光學(xué)和電荷傳輸性質(zhì)以及光伏性能有什么影響。為了解釋這兩個問題，我們利用密度泛函理論和含時密度泛函理論，對所有聚合物分子的相關(guān)性質(zhì)進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果，聚合物分子X2-3相對于其他分子而言，在電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，以及電荷傳輸性能上具有明顯的優(yōu)勢。本章節(jié)的設(shè)計思路和計算，為設(shè)計通過修飾D-A型聚合物供體材料分子的A單元以改善聚合物太陽能電池的光伏性能提供了理論依據(jù)。
　　第四節(jié)：本章通

5、過DFT-BMK/6-31G*和TDDFT-TPSSH/6-311G*分別從理論上驗證了不同π橋構(gòu)成的D-A型聚合物分子的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)對有機太陽能電池的的光電轉(zhuǎn)換效率的影響。對比T橋和Tz橋，PDPP2TzTDTP具有較低的HOMO能級，但在近紅外區(qū)的光吸收較弱，這與實驗報道的結(jié)果完全一致。為了進一步改善PDPP2TzTDTP的吸收性質(zhì)，我們設(shè)計了兩種新的聚合物分子 PDPP2TzDTP-Me和 PDPP2TzDTP-F。計算結(jié)果

6、表明，PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F的光學(xué)性質(zhì)和電荷傳輸性質(zhì)在PDPP2TzTDTP基礎(chǔ)上得到了明顯的改善，這說明 PDPP2TzDTP-Me和 PDPP2TzDTP-F可能具有更高的 Jsc。但PDPP2TzDTP-Me的HOMO能級增加0.1 eV，這不利于Voc的提高；而PDPP2TzDTP-F的HOMO能級幾乎不變，不會對 Voc造成影響，且在一定程度上能夠提高 Voc值。所以，PDPP2TzDTP-F有望

7、成為有機太陽能電池器件中具有發(fā)展前景的活性層供體材料。
　　第五節(jié)：本章我們以強吸電子基團2-(1,1-二氰基亞甲基)繞丹寧(DCRD)作為A2單元，基于中心吸電子基團NDI(A1)和低聚噻吩(D)設(shè)計了一系列A2-D-A1-D-A2結(jié)構(gòu)的π–共軛小分子低聚物。目的在于探究不同的π橋?qū)φ麄€分子材料性能的影響，并且進一步說明理想受體材料的標準。NDI-2T1DCRD—NDI-2T4DCRD的基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)吸收性質(zhì)分別通過密度泛函

8、理論和含時密度泛函理論模擬計算得到。為了進一步調(diào)整 HOMO/LUMO能級，改善光學(xué)吸收性能以補償供體材料的光學(xué)吸收，我們通過增加D-A低聚物的缺電子單元的吸電子能力以探究其對分子相關(guān)性質(zhì)電學(xué)、光學(xué)和電荷傳輸性質(zhì)的影響。并且通過第一性原理，我們較精確地預(yù)測了 NDI-2T3DCRD在活性層的電子遷移率(5.71×10-3cm2V-1S-1)。此外，我們結(jié)合經(jīng)典的供體材料分子—聚(3-己基噻吩)(P3HT)，定性地模擬了活性層材料(P3H