本文關鍵詞：DA交替型有機太陽能電池供體材料的分子設計及其光電性能的理論研究

  更多相關文章： 密度泛函理論 有機太陽能電池 共軛聚合物 小分子供體 分子設計

【摘要】：本文主要運用密度泛函理論(DFT)和含時密度泛函理論(TD-DFT)研究了三種DA交替型有機太陽能電池供體材料的光電性能。我們通過對聚合物供體材料以及小分子供體材料的計算,探討分子結構與分子性質之間的關聯(lián)。我們的主要目的是提供一套有效的供體分子的設計策略,給實驗工作一些指導。第一節(jié)簡要介紹了有機太陽能電池的結構及其工作原理,同時也對有機太陽能電池中的電子供受體單元,以及有機太陽能電池的研究現(xiàn)狀進行了簡單介紹。另外,我們還闡述了本文所做工作的意義。第二節(jié)詳細介紹了本文主要采用的理論計算方法:DFT和TD-DFT。在此基礎上,我們還介紹了一些其他重要的理論分析方法和手段:如分子中的原子(AIM)理論,自然成鍵軌道(NBO)分析和核獨立化學位移(NICS)分析。另外,我們還簡要介紹了Marcus理論在電子轉移研究中的相關應用。第三節(jié)采用DFT和TD-DFT模擬了含有苯并二噻吩(BDT)單元和噻吩并吡咯二酮(TPD)衍生物單元的一系列新穎共聚物。系統(tǒng)地研究了在TPD衍生物中使用不同的硫族噻吩以及在N原子上引入不同吸電子能力的功能基團(如甲基、氟原子、磺�；颓杌�)對分子幾何結構參數(shù)、電子性質、光學性質、光伏性能和分子堆疊以及空穴遷移率的影響。這個取代位置上的吸電子基團(特別是氟和氰基)與鄰近的供體單元只產(chǎn)生很小的位阻。研究結果表明引入這些新的缺單子取代基和硫-硒交換能用于進一步修飾和優(yōu)化已有的分子結構。第四節(jié)基于已經(jīng)合成出來的小分子供體(1s),我們采用DFT、TD-DFT和馬庫斯理論設計并表征了六個新的A-A-D-A-A型小分子供體。通過計算前線分子軌道能級和光譜性質,我們發(fā)現(xiàn)隨著供體分子中雙噻吩間的芳香稠環(huán)的增加,HOMO能級升高而能隙(Eg)減小。此外,為了深入研究有機太陽能電池中電荷轉移和傳輸性質與短路電流(JSC)的關系,我們還考察了分子激發(fā)態(tài)的特征、電離勢(IPs)和電荷傳輸性質。結果表明化合物3c,3n和3o具有比母本分子(1s)更可觀的JSC和更好的光電性能,并且在有機小分子太陽能電池中具有很大潛力。第五節(jié)從理論的角度研究含有DPP及其衍生物的小分子供體。采用內酰胺-內酰亞胺和烷氧基-硫氧基這兩種變換對吡咯并吡咯二酮(DPP)及其衍生物進行分子結構微調。結構微調導致相連的吡咯環(huán)衍生物的芳香性被打破。這種方法能夠實現(xiàn)同時降低供體的HOMO能級和能隙。比起母本分子,結構調整之后的小分子供體不僅吸收光譜紅移,而且顯示出更大的空穴傳輸速率,更大的填充因子,更大的開路電壓和更高的太陽能電池效率。此外,我們還對供受體界面結構和供體-PC61BM復合物的光學性質進行了計算研究來深入考察電荷轉移態(tài)的吸收。這些分子設計策略能夠有效提高供體的原有性質,而且可用于進一步提高其他基于DPP的分子在有機太陽能電池中的性能。
【關鍵詞】：密度泛函理論 有機太陽能電池 共軛聚合物 小分子供體 分子設計
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O631.2;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第一節(jié) 引言9-17
• 1.1 有機太陽能電池的器件結構和原理9
• 1.2 有機太陽能電池的活性層材料9-10
• 1.2.1 共軛聚合物9-10
• 1.2.2 共軛小分子10
• 1.2.3 受體材料10
• 1.3 有機太陽能電池的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.4 課題意義11-13
• 參考文獻13-17
• 第二節(jié) 基本理論17-33
• 2.1 密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)17-21
• 2.1.1 基本原理17-19
• 2.1.2 常用的DFT方法19-21
• 2.2 含時密度泛函理論(TD-DFT)21-22
• 2.3 分子中的原子(AIM)理論22-24
• 2.4 自然鍵軌道理論(Nautual Bond Orbital, NBO)24-25
• 2.5 電流密度與核獨立化學位移(NICS)25-27
• 2.6 Marcus電荷轉移理論27-29
• 參考文獻29-33
• 第三節(jié) 計算研究基于苯并二噻吩的共軛聚合物的取代基和雜原子對材料光電性質及太陽能電池性能的影響33-47
• 3.1 前言33-34
• 3.2 計算詳情34-35
• 3.3 結果與討論35-43
• 3.3.1 幾何參數(shù)和電子性質35-37
• 3.3.2 光學性質37-39
• 3.3.3 光伏性質39-41
• 3.3.4 空穴傳輸性質41-43
• 3.4 結論43-44
• 參考文獻44-47
• 第四節(jié) 理論研究供體材料中雙噻吩間的稠環(huán)芳香體系對有機小分子太陽能電池性能的影響47-63
• 4.1 前言47-48
• 4.2 理論方法48-49
• 4.3 結果與討論49-56
• 4.3.1 前線分子軌道和能隙49-51
• 4.3.2 吸收光譜51-53
• 4.3.3 激子分離53-54
• 4.3.4 電荷的產(chǎn)生和傳輸54-56
• 4.4 總結56-57
• 參考文獻57-63
• 第五節(jié) 吡咯并吡咯二酮的結構微調對小分子/富勒烯型有機太陽能電池性能的影響63-85
• 5.1 前言63-64
• 5.2 理論方法64-65
• 5.3 結果與討論65-76
• 5.3.1 基態(tài)幾何65-67
• 5.3.2 前線分子軌道能級和能隙67-68
• 5.3.3 光學性質68-72
• 5.3.4 電荷傳輸相關性質72-74
• 5.3.5 填充因子74
• 5.3.6 光伏性質和太陽能電池效率74-76
• 5.4 結論76-77
• 參考文獻77-85
• 碩士期間已發(fā)表的文章85-87
• 致謝87

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 段曉菲,王金亮,毛景,裴堅;有機太陽能電池材料的研究進展[J];大學化學;2005年03期

2 任斌;賴樹明;陳衛(wèi);黃河;;有機太陽能電池研究進展[J];材料導報;2006年09期

3 錢伯章;;高效有機太陽能電池[J];橡塑技術與裝備;2008年04期

4 周洪英;;科學家有望開發(fā)出低成本性能卓越的有機太陽能電池[J];功能材料信息;2010年Z1期

5 ;最輕薄有機太陽能電池問世[J];化工中間體;2012年04期

6 錢伯章;;最薄最輕的有機太陽能電池[J];國外塑料;2012年03期

7 ;德國企業(yè)創(chuàng)立了有機太陽能電池效率世界新高[J];功能材料信息;2013年02期

8 賀素姣;;有機太陽能電池材料與器件的研究進展[J];化工技術與開發(fā);2013年09期

9 劉佩華,田禾;有機太陽能電池材料近期進展(上)[J];上�；�;1999年11期

10 劉佩華,田禾;有機太陽能電池材料近期進展(下)[J];上�；�;1999年12期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 范斌;田清勇;白華;;可溶性小分子有機太陽能電池[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

2 杝隆建;杝正_7;李宜璇;;可撓式有機太陽能電池之發(fā)展技術[A];海峽兩岸第十六屆照明科技與營銷研討會專題報告暨論文集[C];2009年

3 劉艷;曾慶華;張憲璽;姜建壯;;卟啉、酞菁類有機太陽能電池材料的研究進展[A];中國化學會第二十五屆學術年會論文摘要集（下冊）[C];2006年

4 陳濤;仰志斌;彭慧勝;;基于碳納米管纖維的有機太陽能電池[A];2011年全國高分子學術論文報告會論文摘要集[C];2011年

5 仰志斌;陳濤;何瑞旋;彭慧勝;;基于取向碳納米管膜的柔性有機太陽能電池[A];2011年全國高分子學術論文報告會論文摘要集[C];2011年

6 張堅;楊棟;周玲玉;陳令成;趙斌;李燦;;化學改性氧化石墨烯作為有機太陽能電池空穴傳輸層[A];2012年兩岸三地高分子液晶態(tài)與超分子有序結構學術研討會（暨第十二屆全國高分子液晶態(tài)與超分子有序結構學術論文報告）會議論文集[C];2012年

7 趙儀;;有機太陽能電池中的相干電荷和能量轉移[A];第十三屆全國化學動力學會議報告摘要集[C];2013年

8 唐衛(wèi)華;海杰峰;朱恩偉;卞臨沂;;有機太陽能電池用的二維窄帶隙聚合物研究[A];2013年全國高分子學術論文報告會論文摘要集——主題G：光電功能高分子[C];2013年

9 易院平;韓廣超;沈星星;;有機太陽能電池電子過程的理論模擬[A];中國化學會第29屆學術年會摘要集——第17分會：光電功能器件[C];2014年

10 馬廷麗;;柔性及疊層薄膜有機太陽能電池研究[A];第七屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（第7分冊）[C];2010年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 記者 顧鋼;德支持企業(yè)開發(fā)有機太陽能電池[N];科技日報;2007年

2 記者 毛黎;美評估有機太陽能電池對環(huán)境的影響[N];科技日報;2010年

3 本報駐美國記者 田學科;突破有機太陽能電池技術瓶頸[N];科技日報;2012年

4 劉霞;控制電子自旋可提高有機太陽能電池的效率[N];科技日報;2013年

5 記者 邰舉;疊層型有機太陽能電池接近商用[N];科技日報;2007年

6 蔡佳;美國研發(fā)可拉伸有機太陽能電池[N];中國建材報;2011年

7 華凌;小分子有機太陽能電池增效50%[N];科技日報;2013年

8 本版編輯邋張浩 鄭曉春 鄧國慶 毛黎 何屹 顧鋼 何永晉;2007年世界科技發(fā)展回顧(七)[N];科技日報;2008年

9 記者 馬悍德;青海有機太陽能電池研發(fā)獲重大進展[N];科技日報;2014年

10 記者 賈明;青海有機太陽能電池研發(fā)取得重大進展[N];青海日報;2014年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 許美鳳;高效穩(wěn)定的有機太陽能電池的界面研究[D];蘇州大學;2015年

2 劉小銳;幾種有機太陽能電池供體材料的光伏性能[D];西南大學;2015年

3 黨東鋒;含噻吩或噻吩稠環(huán)單元的有機光伏材料的合成及其性能研究[D];湘潭大學;2015年

4 徐偉龍;有機太陽能電池微納結構及光物理特性研究[D];山東大學;2016年

5 聶日明;透明陰極界面修飾及其在有機光電轉換器件中的應用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

6 陳大正;反轉有機太陽能電池器件優(yōu)化與穩(wěn)定性研究[D];西安電子科技大學;2015年

7 王之哲;新型有機太陽能電池中銀薄膜電極研究與應用[D];西安電子科技大學;2015年

8 于偉利;電沉積制備聚噻吩有序微結構及有機太陽能電池[D];吉林大學;2009年

9 喬芬;基于聚合物的有機太陽能電池的研制與表征[D];大連理工大學;2010年

10 陳向東;有機太陽能電池中的光物理過程研究[D];合肥工業(yè)大學;2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 史紹華;有機太陽能電池中電極修飾的研究[D];大連理工大學;2012年

2 蔡倫;有機太陽能電池中光電流—溫度特性的研究[D];西南大學;2015年

3 付智勇;有機太陽能電池D-A型供受體材料的理論研究[D];西南大學;2015年

4 蔡佳林;利用飛秒瞬態(tài)時間分辨率吸收光譜對有機太陽能電池的光電轉化機理研究[D];河北大學;2015年

5 李盼盼;含傒二酰亞胺(PDIs)單元的有機半導體材料的合成、表征及其應用[D];上海師范大學;2015年

6 張旋;PIN型有機太陽能電池光學特性的數(shù)值模擬[D];西安石油大學;2015年

7 豐艷婷;有機太陽能電池中光誘導電荷轉移的理論研究[D];遼寧大學;2015年

8 萬瑛博;富勒烯二加成衍生物的核磁共振波譜研究[D];蘇州大學;2015年

9 徐曉娟;有機太陽能電池/有機—無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的模擬[D];蘇州大學;2015年

10 李萌;基于聚噻吩及富勒烯衍生物材料有機太陽能電池光電性能研究[D];河南師范大學;2015年

，

本文編號：793144