本文關(guān)鍵詞：并四苯與并五苯衍生物單線態(tài)裂分的理論研究

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【摘要】：較低的光電轉(zhuǎn)化效率帶來的高成本問題限制了光伏電池的推廣使用,因而尋找能將太陽能光子的能量高效的轉(zhuǎn)化為電能的材料和技術(shù)是關(guān)鍵。限制光電轉(zhuǎn)換效率的因素有很多,其中很重要的一點(diǎn)就是目前的單結(jié)電池材料不具備將高能量的光子完全轉(zhuǎn)換為電能的能力。當(dāng)光子的能量高于半導(dǎo)體帶隙值時,電池吸收光子后的過剩能量以熱量的形式耗散；而低能光子例如紅外線卻無法被電池吸收利用。如果利用單線態(tài)裂分(Singlet Fission, SF),使一個高能量的光子裂分成兩個低能量的光子,將產(chǎn)生的兩個電子/空穴對注入到電池電極中加以利用,便可實(shí)現(xiàn)對高能量光子的充分利用,突破Shockley-Queisser limit,將光電轉(zhuǎn)化效率提高到46%。在所有可發(fā)生SF的分子中,并四苯和并五苯由于分子量小、分子結(jié)構(gòu)簡單、SF產(chǎn)率高被廣泛研究,有望成為最具應(yīng)用前景的分子。然而,它們極易發(fā)生光氧化而降解的特性,又阻礙了人們對它更深入的研究。在有機(jī)分子骨架上引入取代基可以改變分子的溶解性和光穩(wěn)定性,同時調(diào)節(jié)激發(fā)態(tài)的能級水平�？紤]到氮雜化的并苯以及以噻吩為基礎(chǔ)的材料展現(xiàn)出優(yōu)良獨(dú)特的光電性質(zhì),論文中我們選擇sp2雜化的氮取代的并四苯和并五苯衍生物,以及含有噻吩環(huán)的并四苯和并五苯衍生物作為研究對象,詳細(xì)討論了它們對并苯穩(wěn)定性以及SF相關(guān)性質(zhì)的影響。具體工作如下：第一章：概述了SF的研究背景、發(fā)生機(jī)制、熱力學(xué)條件以及發(fā)展現(xiàn)狀,重點(diǎn)介紹了以上各方面在并四苯、并五苯中的研究；概述了取代基對并四苯、并五苯穩(wěn)定性的影響以及氮雜環(huán)、噻吩環(huán)對并苯中與光電性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)的影響。第二章：設(shè)計(jì)了一系列sp2雜化的氮原子取代的并四苯及并五苯衍生物,利用密度泛函理論(DFT)和含時密度泛函理論(TDDFT)計(jì)算了氮原子的引入、位置、數(shù)量以及取代方式(吡啶環(huán),噠嗪環(huán),吡嗪環(huán))對母體前線分子軌道能量及激發(fā)態(tài)能量的影響。結(jié)果表明：引入氮原子尤其是在母體α和δ位置引入氮原子時,可降低前線分子軌道的能量,提高分子的光穩(wěn)定性。對于SF過程是放熱的分子而言,引入氮原子可進(jìn)一步減少SF過程的能量損失,提高SF的效率。然而,對于SF過程是吸熱的分子,裂分將需要更多的熱補(bǔ)償,不利于SF的進(jìn)行。第三章：采用理論計(jì)算的方法,對一系列噻吩環(huán)-苯環(huán)稠合的并苯類衍生物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,結(jié)合分子軌道圖以及回歸分析討論了噻吩環(huán)對并四苯、并五苯的軌道能量尤其是單線態(tài)裂分能力的影響。結(jié)果表明：噻吩環(huán)以(p,p)方式與苯環(huán)稠合時,可降低最高占據(jù)分子軌道(HOMO)與最低空分子軌道(LUMO)之間的能級差,增強(qiáng)分子的雙自由基性質(zhì),增大SF的熱力學(xué)驅(qū)動力。但是當(dāng)噻吩環(huán)以(α,β)方式與苯環(huán)稠合時,將導(dǎo)致更大的HOMO-LUMO能級差,SF熱力學(xué)驅(qū)動力減小甚至消失。
【關(guān)鍵詞】：單線態(tài)裂分 氮原子 噻吩環(huán) 并四苯 并五苯
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O625.1;TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符號說明12-13
• 第一章 前言13-35
• 1.1 概述13
• 1.2 SF簡介13-23
• 1.2.1 SF研究背景13-14
• 1.2.2 SF機(jī)理及分子耦合14-20
• 1.2.3 SF熱力學(xué)滿足條件20-23
• 1.3 取代基及雜原子對并苯性質(zhì)的影響23-28
• 1.3.1 取代基對并苯性質(zhì)的影響23-25
• 1.3.2 雜原子對并苯性質(zhì)的影響25-28
• 參考文獻(xiàn)28-35
• 第二章 氮原子對并四苯、并五苯穩(wěn)定性及單線態(tài)裂分的影響35-56
• 2.1 引言35-36
• 2.2 計(jì)算方法36-38
• 2.3 結(jié)果與討論38-50
• 2.3.1 并五苯衍生物的前線分子軌道能量與穩(wěn)定性38-42
• 2.3.2 并五苯衍生物的激發(fā)態(tài)能量與SF42-47
• 2.3.3 并四苯衍生物的SF簡述47-50
• 2.4 小結(jié)50-52
• 參考文獻(xiàn)52-56
• 第三章 噻吩環(huán)-苯環(huán)稠合分子的前線分子軌道能量及SF驅(qū)動力56-67
• 3.1 引言56
• 3.2 計(jì)算方法56-57
• 3.3 結(jié)果與討論57-64
• 3.3.1 前線軌道能量57-61
• 3.3.2 熱力學(xué)驅(qū)動力△E_(SF)61-64
• 3.4 小結(jié)64-65
• 參考文獻(xiàn)65-67
• 結(jié)論與展望67-68
• 致謝68-69
• 碩士期間發(fā)表論文69-70
• 附錄70-79
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表79

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1 陳雨菡;并四苯與并五苯衍生物單線態(tài)裂分的理論研究[D];山東大學(xué);2015年

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本文編號：606027