两种太阳能电池材料分子的电荷转移研究

【摘要】：能源是人类进行社会活动的物质基础。随着全球经济的迅速发展，人类对能源需求日益增长。而以石油和煤为主的矿物资源正在日渐枯竭，因此，对无污染新能源进行开发与利用，既能够促进社会与经济发展、又能够改善人们的生活，意义十分重大。太阳能是一种清洁的自然可再生能源，并以其长久性、再生性、无污染等诸多优点而备受人们的青睐。利用太阳能资源最有效的方式之一就是太阳能电池技术。 本体异质结太阳能电池（Bulk Heterojunction Solar Cells，缩写为BHJ）是一种聚合物太阳能电池，其核心部分是由一种p型材料和一种n型材料组成的一个活跃的光吸收层，当光照射到光吸收层时，光子被吸收后会产生激子（即电子-空穴对）。激子扩散到给体-受体的接触界面之后分离为自由电子和空穴，在内建电场的驱动下，经由受体材料通道的自由电子迁移至阳极，经由给体材料通道的空穴迁移至阴极，从而产生光电流，完成光电转化。 本文以DTS-TPD和DTG-TPD两种有机分子为研究对象。研究方法主要采用量子化学中的密度泛函理论（Density functional theory，记为DFT）中的B3LYP函数对分子几何结构进行优化，运用含时密度泛函理论（Time-dependent DensityFunctional Theory,记为TDDFT）中的TD-DFT∕B3LYP函数∕6-31G（d）基组进行计算，探究这两种分子的基态、激发态性质，跃迁能和振子强度。分析探究两分子的吸收光谱和分子内部电荷转移的情况。DTS-TPD分子的吸收光谱有两个主要峰值分别为635.76nm和470.09nm，分别源于HOMO→LUMO和HOMO-1→LUMO+1的跃迁贡献（其中HOMO表示最高占据分子轨道：thehighest occupied molecular orbital；LUMO表示最低空分子轨道：the lowestunoccupied molecular orbital）；DTG-TPD分子的两个主要吸收光谱峰值分别为633.55nm和467.86nm，也分别来自于HOMO→LUMO和HOMO-1→LUMO+1的跃迁贡献。其次采用三维（Three-dimensional，记为3D）实空间分析方法，研究两种分子内部电荷转移，并将光诱导电荷转移结果、二者的吸收光谱、电荷差异密度（Charge Difference Density，记为CDD）的情况可视化。然后再用二维（Two-dimensional，记为2D）实空间分析方法将跃迁密度矩阵（Transitiondensity matrix，记为TDM）可视化，来探究电子-空穴的相干性。最后，考查随着n值的增加，不同n值的DTS-TPD分子。 【关键词】：DTS-TPD/DTG-TPD分子 密度泛函理论 电荷转移 电荷差分密度
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 引言11-14
• 1.1 概述本文研究背景及现状11-12
• 1.2 本论文的主要工作12-14
• 第2章 理论基础和计算方法14-40
• 2.1 光物理与光化学基础14-32
• 2.1.1 光激发理论16-17
• 2.1.2 跃迁理论17-24
• 2.1.3 光诱导分子内的能量转移和电子转移24-32
• 2.2 密度泛函理论32-35
• 2.2.1 Thomas-Fermi 方法33
• 2.2.2 Hohenbeng-Kohn 定理33-34
• 2.2.3 Kohn-Sham 方程34-35
• 2.3 含时密度泛函理论35-37
• 2.3.1 Runge-Gross 定理36-37
• 2.4 二维（2D）和三维（3D）实空间分析方法37-40
• 2.4.1 二维（2D）实空间分析方法37-38
• 2.4.2 三维（3D）实空间分析方法38-40
• 第3章 DTS-TPD 分子和 DTG-TPD 分子的激发态性质40-53
• 3.1 序言40
• 3.2 理论计算方法40-41
• 3.3 结果与讨论41-53
• 3.3.1 计算数据41-46
• 3.3.2 电子吸收光谱46-47
• 3.3.3 3D 实空间分析47-49
• 3.3.4 2D 实空间分析49-53
• 第4章 不同数量 DTS-TPD 单元所构成的分子激发态性质53-58
• 4.1 序言53
• 4.2 理论计算方法53
• 4.3 结果与讨论53-58
• 4.3.1 计算数据53-56
• 4.3.2 结论56-58
• 第5章 结论与展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况64-65

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