有机太阳能电池材料的理论研究及相关设计

【摘要】：本文主要使用密度泛函理论(Density Functional Theory)及含时密度泛函理论(Time-dependent Density Functional Theory)研究了一系列有机化合物的光电属性,并通过对其单体和低聚物的计算以及堆积结构的理论研究,设计了新的化合物,并将这些化合物作为有机太阳能电池供体材料、受体材料以及化合物中某些结构对材料性能的影响进行了讨论。 第一节简要介绍了有机太阳能电池的研究现状及其工作原理,同时也对有机太阳能电池中的电子供受体单元,以及有机太阳能电池的性能要求进行了简单介绍。另外,在本节对有机太阳能电池的发展趋势和前景进行了展望,指出了本文所做工作的意义。 第二节详细介绍了本文所使用的理论计算方法——密度泛函理论和含时密度泛函理论(DFT and TD-DFT)。同时,还介绍了几种重要的理论分析方法,例如自然成键轨道(Natural Bond Orbital)分析,自然跃迁轨道(Natural Transition Orbital)分析等。 第三节介绍了运用DFT及TD-DFT理论,在B3LYP/6-31G(d)理论水平下对已设计合成并性能优良的有机太阳能电池供体材料Poly[[1,2,5]thiadiazolo[3,4-c]pyridine-4,7-diyl(4,4-didodecyl-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl)](PT-CDT)的光学、电学以及电荷传输属性进行了表征与分析,并且基于PT-CDT,将氰基引入,设计了一种新的化合物PCNT-CDT,并对它们的单体、二聚体、三聚体的光学、电学、光伏性质以及电荷传输性质进行了表征与分析。研究结果表明,相比于PT-CDT,新设计的材料PCNT-CDT具有更低HOMO能级以产生更高的开路电压,同时也具有更小的空穴和电荷重组能。另外,PCNT-CDT具有更优于PT-CDT的吸收属性及电子传输性能。因此,新设计的材料PCNT-CDT具有成为有机太阳能电池供体材料的可行性。 第四节介绍了基于DFT及TD-DFT理论,在PBE0/6-31G(d)方法、基组下,对已设计并合成出的2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl(4,9-dihydro-4,4,9,9-tetraoctylthieno[2',3':4,5] silolo[3,2-b]thieno[2",3":4',5']silolo[2',3':4,5]thieno[2,3-d] thiophene-2,7-diyl) D1进行了光学、电学以及传输性能的分析和表征。基于该结构,引入吡啶和并环设计了3种新的分子：pyridine based dimer [1,2,5]thiadiazolo[3,4-c]pyridine-4,7-diyl(4,9-dihydro-4,4,9,9-tetraoctylthieno[2',3':4,5] silolo[3,2-b]thieno[2",3":4',5']silolo[2',3':4,5]thieno[2,3-d]thiophene-2,7-diyl) D2, fused cyclic based naphtho[1,2-c:5,6-c]bis[1,2,5]thiadiazole-4,7-diyl(4,9-dihydro-4,4,9,9-tetraoctylthieno[2',3':4,5]silolo[3,2-b]thieno[2",3":4',5']silolo[2',3':4,5]thieno[2,3-d] thiophene-2,7-diyl) D3和bis[1,2,5]thiadiazolo[3,4-c:3',4'-h][1,5]naphthyridine-4,7-diyl(4,9-dihydro-4,4,9,9-tetraoctylthieno[2',3':4,5]silolo[3,2-b]thieno[2",3":4',5'] silolo[2',3':4,5]thieno[2,3-d]thiophene-2,7-diyl)D4,并对它们的光学、电学、光伏性质以及电荷传输性质进行了分析和比较,同时根据引入吡啶和并环的分子在性能上显示的差异,总结了引入吡啶和并环对太阳能电池供体材料的产生影响的规律。 第五节介绍了在HSEH1PBE/6-311++G**方法和基组水平下,利用DFT和TD-DFT理论,对6,6-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM)的能级、光谱进行了表征,并且与供体分子P3HT结合,对其光学性能进行了分析。基于PC61BM的结构,对其进行修饰后,设计出新的受体分子,并对其能级以及光学性能进行分析和比较。研究结果表明,改良后的受体分子具有更高的LUMO能级,使电池能够产生更高的开路电压。 【关键词】：密度泛函理论 有机太阳能电池 供体 受体 传输速率
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第一节 前言9-19
• 1.1 有机太阳能电池材料的原理9
• 1.2 有机太阳能电池材料的结构9-10
• 1.3 有机太阳能电池材料的研究进展10-13
• 1.3.1 有机太阳能电池材料的给体材料11-12
• 1.3.2 有机太阳能电池材料的受体材料12-13
• 1.4 课题的意义13-14
• 参考文献14-19
• 第二节 基本理论19-31
• 2.1 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)19-22
• 2.1.1 基本原理19-21
• 2.1.2 一些常用的密度泛函方法21-22
• 2.2 含时密度泛函理论(TD-DFT)22-24
• 2.3 Marcus电荷转移理论24-26
• 2.4 自然键轨道理论(Nautual Bond Orbital,NBO)26-27
• 参考文献27-31
• 第三节 基于噻二唑衍生物的有机太阳能电池的理论设计31-47
• 3.1 引言31-32
• 3.2 计算方法32-33
• 3.3 结果与讨论33-40
• 3.3.1 几何结构33-34
• 3.3.2 电学性质34-36
• 3.3.3 光学性质36-37
• 3.3.4 光伏性质37-38
• 3.3.5 电离能(IPs)、电子亲和势(EAs)、重组能(λ)38-39
• 3.3.6 空穴传输性能39-40
• 3.4 结论40-41
• 参考文献41-47
• 第四节 关于吡啶和并环对有机太阳能电池供体材料性能影响的理论研究47-61
• 4.1 引言47-48
• 4.2 计算方法48-50
• 4.3 结果与讨论50-55
• 4.3.1 几何结构50-51
• 4.3.2 前线分子轨道性质与光伏性能51-52
• 4.3.3 吸收属性52-54
• 4.3.4 空穴转移属性54-55
• 4.4 结论55-56
• 参考文献56-61
• 第五节 基于PC_(61)BM的关于有机太阳能电池受体材料的理论设计61-75
• 5.1 引言61-62
• 5.2 计算方法62-63
• 5.3 结果与讨论63-68
• 5.3.1 几何结构63-64
• 5.3.2 前线分子轨道性质64-66
• 5.3.3 紫外可见吸收光谱性质66-68
• 5.3.4 重组能与电子亲和势68
• 5.4 结论68-70
• 参考文献70-75
• 已发表论文75-77
• 致谢77

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