有機太陽能電池供受體材料的分子設計和光伏性能研究.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用者之一具有制備工藝簡單、易加工、質量輕、成本低等優(yōu)點，在人類生產、生活中占有重要地位。為了研究活性層中材料中分子結構，對有機太陽能電池器件的光電轉換效率的影響，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)在本文中被設計出來，就上述問題進行探討?；诹孔踊瘜W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和光學性質。并通過馬庫斯轉移理論和第

2、一性原理，模擬了其各自的電荷轉移性質，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構改變材料分子的相關性質，為實驗合成提供有效的設計策略和可靠的理論指導。主要內容包括：
　　第一節(jié)：主要介紹有機太陽能電池的發(fā)展史和國內外發(fā)展現(xiàn)狀、器件的組成結構及其工作原理、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)結構性質；二是取代基的引入對材料的電學、光學和電荷傳輸性質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性質進行模擬計算。根據(jù)計算結果，聚合物分子X2-3相對于其他分子而言，在電學和光學性質，以及電荷傳輸性能上具有明顯的優(yōu)勢。本章節(jié)的設計思路和計算，為設計通過修飾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橋構成的D-A型聚合物分子的電子結構和光學性質對有機太陽能電池的的光電轉換效率的影響。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，這與實驗報道的結果完全一致。為了進一步改善PDPP2TzTDTP的吸收性質，我們設計了兩種新的聚合物分子 PDPP2TzDTP-Me和 PDPP2TzDTP-F。計算結果

6、表明，PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F的光學性質和電荷傳輸性質在PDPP2TzTDTP基礎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)設計了一系列A2-D-A1-D-A2結構的π–共軛小分子低聚物。目的在于探究不同的π橋對整個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)幾何結構和光學吸收性質分別通過密度泛函

8、理論和含時密度泛函理論模擬計算得到。為了進一步調整 HOMO/LUMO能級，改善光學吸收性能以補償供體材料的光學吸收，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性質電學、光學和電荷傳輸性質的影響。并且通過第一性原理，我們較精確地預測了 NDI-2T3DCRD在活性層的電子遷移率(5.71×10-3cm2V-1S-1)。此外，我們結合經典的供體材料分子—聚(3-己基噻吩)(P3HT)，定性地模擬了活性層材料(P3H