本文選題：有機(jī)太陽(yáng)能電池 + 活性層材料��； 參考：《西南大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：太陽(yáng)能作為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?有機(jī)太陽(yáng)能電池作為它的主要應(yīng)用者之一具有制備工藝簡(jiǎn)單、易加工、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn),在人類(lèi)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(duì)有機(jī)太陽(yáng)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(jì)出來(lái),就上述問(wèn)題進(jìn)行探討�；诹孔踊瘜W(xué)理論、密度泛函理論和含時(shí)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(guò)馬庫(kù)斯轉(zhuǎn)移理論和第一性原理,模擬了其各自的電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì),計(jì)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(guò)修飾分子結(jié)構(gòu)改變材料分子的相關(guān)性質(zhì),為實(shí)驗(yàn)合成提供有效的設(shè)計(jì)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(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展史和國(guó)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(jì)算過(guò)程中,主要用到的理論方法(密度泛函理論、含時(shí)密度泛函理論和馬庫(kù)斯理論)和計(jì)算手段。詳細(xì)介紹了每個(gè)理論的原理,并列舉了體系中所用的計(jì)算公式。此外,我們還簡(jiǎn)單介紹了有機(jī)太陽(yáng)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(guò)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(jì)了一系列不同的共軛D-A聚合物以研究取代基對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響。設(shè)計(jì)這些分子的主要目的是為了回答以下兩個(gè)問(wèn)題:一是取代基是如何影響聚合物基態(tài)結(jié)構(gòu)性質(zhì);二是取代基的引入對(duì)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(gè)問(wèn)題,我們利用密度泛函理論和含時(shí)密度泛函理論,對(duì)所有聚合物分子的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,聚合物分子X(jué)2-3相對(duì)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(shì)。本章節(jié)的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算,為設(shè)計(jì)通過(guò)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(yáng)能電池的光伏性能提供了理論依據(jù)。第四節(jié):本章通過(guò)DFT-BMK/6-31G*和TDDFT-TPSSH/6-311G*分別從理論上驗(yàn)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(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的的光電轉(zhuǎn)換效率的影響。對(duì)比T橋和Tz橋,PDPP2TzTDTP具有較低的HOMO能級(jí),但在近紅外區(qū)的光吸收較弱,這與實(shí)驗(yàn)報(bào)道的結(jié)果完全一致。為了進(jìn)一步改善PDPP2TzTDTP的吸收性質(zhì),我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種新的聚合物分子PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F。計(jì)算結(jié)果表明,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(shuō)明PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F可能具有更高的Jsc。但PDPP2TzDTP-Me的HOMO能級(jí)增加0.1 eV,這不利于Voc的提高;而PDPP2TzDTP-F的HOMO能級(jí)幾乎不變,不會(huì)對(duì)Voc造成影響,且在一定程度上能夠提高Voc值。所以,PDPP2TzDTP-F有望成為有機(jī)太陽(yáng)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(qiáng)吸電子基團(tuán)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(tuán)NDI(A1)和低聚噻吩(D)設(shè)計(jì)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�(gè)分子材料性能的影響,并且進(jìn)一步說(shuō)明理想受體材料的標(biāo)準(zhǔn)。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(guò)密度泛函理論和含時(shí)密度泛函理論模擬計(jì)算得到。為了進(jìn)一步調(diào)整HOMO/LUMO能級(jí),改善光學(xué)吸收性能以補(bǔ)償供體材料的光學(xué)吸收,我們通過(guò)增加D-A低聚物的缺電子單元的吸電子能力以探究其對(duì)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(guò)第一性原理,我們較精確地預(yù)測(cè)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(P3HT/NDI-2T3Me和P3HT/NDI-2T3DCRD)的光學(xué)吸收性質(zhì)。結(jié)果表明,A2-D-A1-D-A2型低聚物在可見(jiàn)光區(qū)和近紅外區(qū)域的吸收剛好可以補(bǔ)償P3HT的不足,這對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池中的短路電流(Jsc)的提高有著非常重大的影響。綜上,通過(guò)調(diào)節(jié)基于NDI型低聚物受體中端基的吸電子能力,的確可以改善活性層材料分子的電荷傳輸性質(zhì),這對(duì)設(shè)計(jì)理想的供體材料是一種行之有效的方法。
[Abstract]:Based on quantum chemistry theory , density functional theory and time - density functional theory , we have studied the electrical and optical properties of three active layer materials . 浣嗗湪榪戠孩澶栧尯鐨勫厜鍚告敹杈冨急,榪欎笌瀹為獙鎶ラ亾鐨勭粨鏋滃畬鍏ㄤ竴鑷，

本文編號(hào)：1945339