本文關鍵詞：基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的D-A型共聚物第一性原理研究

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【摘要】：本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池是當前研究的重點,D-A型共聚物作為電池的電子給體材料近年來引起廣泛關注。要進一步提高有機光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率,D-A型共聚物活性層材料的設計和優(yōu)化是關鍵的一步。本論文以苯并二噻吩(BDT)為電子給體單元,苯并噻二唑(BT)類為電子受體單元作為D-A共聚體;用噻吩環(huán)作為π橋,構造出D-π-A(PBDT-DTBX,X=O、S、Se、Te)結(jié)構。采用第一性原理密度泛函理論,系統(tǒng)地計算相應的電子結(jié)構和光吸收譜。并比較不同氧族元素及氮N原子在受體單元中的替換對聚合物光吸收譜的影響。(1)借助于計算軟件VASP,對BDT的三種同分異構體進行模擬計算,其結(jié)果與實驗值一致。即,能隙計算值為2.38eV、2.46eV、2.42eV,相應實驗值為2.17eV、2.49eV、2.26eV。說明選擇的計算方法是可行的。然后選擇其中帶隙較小的結(jié)構作為給體單元與不同的受體單元結(jié)合來進行活性層材料的構建和結(jié)構上的優(yōu)化。(2)在D-A共聚體受體X位進行元素替換,計算表明,當以O、S、Se、Te替換時,其體系的HOMO能級變化不大,LUMO能級逐漸靠近費米能級,帶隙逐漸減小。在可見光區(qū)有兩個較強的吸收峰,隨著X位元素原子序數(shù)增大,位于4.0eV左右的光吸收峰位基本不變,另一光吸收峰強度明顯增大并發(fā)生紅移。(3)本論文選擇噻吩環(huán)作為π-鍵橋。計算表明,與D-A結(jié)構相比,D-π-A結(jié)構的帶隙均有所減小,證明π-鍵橋可以增大聚合物結(jié)構的共軛性,減小空間位阻和拓寬吸收光譜。其中X為Te時帶隙最小,光吸收峰強度隨著氧族元素原子序數(shù)的增大也明顯增大并發(fā)生紅移。(4)為了進一步分析結(jié)構與吸收譜的關系,本論文分別計算了D-A聚合物和PBDT、PBT的吸收譜以及PBDT的態(tài)密度,結(jié)果表明,4.0eV左右的光吸收峰主要是BDT單元的貢獻,氧族元素的改變主要影響519.4-703.9 nm范圍的光吸收。(5)第四章模擬了受體上C原子被N原子替換后對材料性質(zhì)的影響,計算結(jié)果表明,N原子的替換可以減小聚合物的結(jié)構帶隙,拓寬吸收范圍。本論文工作的結(jié)論可以為有機聚合物結(jié)構的優(yōu)化提供有益參考。本工作部分結(jié)果已經(jīng)以論文形式被物理學報接收(2016年第10期)。
【關鍵詞】：密度泛函理論 太陽能電池 D-A 共聚物 D-π-A 共聚物
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 緒論10-24
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 有機聚合物太陽能電池簡介11-21
• 1.2.1 聚合物太陽能電池工作原理、結(jié)構及性能表征11-15
• 1.2.2 有機聚合物太陽能電池材料簡介15-18
• 1.2.3 有機聚合物太陽能電池分子設計策略18-21
• 1.3 苯并二噻吩材料研究進展21-23
• 1.4 本論文研究內(nèi)容和結(jié)構安排23-24
• 2 計算理論基礎和計算方法24-34
• 2.1 計算物理學理論基礎24
• 2.2 密度泛函理論（DFT）24-32
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理25-26
• 2.2.2 Kohn-Sham方程26-27
• 2.2.3 DFT計算的基本要素27-32
• 2.3 計算相關軟件32-34
• 2.3.1 VASP計算軟件包32-33
• 2.3.2 計算使用的其他軟件33-34
• 3 計算結(jié)果與討論34-49
• 3.1 D-A結(jié)構簡介34-35
• 3.2 苯并二噻吩第一性原理計算35-36
• 3.3 D-A和D-π-A聚合物的第一性原理研究36-47
• 3.3.1 氧族元素和π-鍵橋?qū)-A和D-π-A聚合物能帶的影響37-39
• 3.3.2 氧族元素和π-鍵橋?qū)-A和D-π-A聚合物態(tài)密度的影響39-42
• 3.3.3 氧族元素和π-鍵橋?qū)-A和D-π-A聚合物結(jié)構光學性質(zhì)的影響42-47
• 3.4 計算參數(shù)47-48
• 3.5 本章小結(jié)48-49
• 4 N原子對聚合物性能影響的第一性原理研究49-56
• 4.1 N原子對D-A聚合物能帶的影響49-51
• 4.2 N原子對D-A聚合物態(tài)密度的影響51-53
• 4.3 N原子對D-A聚合物結(jié)構光學性質(zhì)的影響53-55
• 4.4 本章小結(jié)55-56
• 5 結(jié)論56-58
• 參考文獻58-63
• 個人簡歷與論文發(fā)表情況63-64
• 致謝64

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本文編號：1057535