【摘要】：有機(jī)半導(dǎo)體材料由于成本低、結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)、柔韌性和成膜性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池。相比給體材料,受體材料的關(guān)注較少。非富勒烯小分子受體材料由于結(jié)構(gòu)有序、光譜和能級(jí)易于調(diào)節(jié)、合成途徑簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)逐漸受到科研工作者們的關(guān)注。近年來(lái),理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合是一個(gè)有效地制備高性能有機(jī)半導(dǎo)體材料的策略。本論文通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算探討了一系列基于芴和苯并噻二唑類有機(jī)小分子受體材料的幾何結(jié)構(gòu)與光伏性能的關(guān)系,為設(shè)計(jì)合成高性能的小分子受體材料提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)部分:1.氰基(CN)是強(qiáng)的吸電子基團(tuán),由于其具有調(diào)整軌道能級(jí)、增加電子親和能和電荷傳輸能力等優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用于有機(jī)小分子受體材料的結(jié)構(gòu)修飾,而得到廣泛的研究。為了探究分子末端CN數(shù)量對(duì)受體材料光電性質(zhì)的影響,在2-[{7-(9,9-di-n-propyl-9H-fluoren-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazol-4-yl} methylene]malononitrile(K12)的基礎(chǔ)上理論設(shè)計(jì)了一系列新型受體小分子(2-5)。通過(guò)密度泛函理論(DFT)和含時(shí)密度泛函理論(TDDFT)計(jì)算了影響分子光電性能的重要參數(shù)。結(jié)果表明:與K12相比,對(duì)稱且含有兩個(gè)CN的3和含有一個(gè)CN的4的最低未占據(jù)分子軌道能級(jí)(LUMO)能級(jí)較高,能夠提高器件的開(kāi)路電壓(VOC);與給體材料聚-(3-己基噻吩)(P3HT)的紫外吸收能更好的匹配,改善器件的短路電流USC);激子在材料表面也較容易分離。分子末端不同數(shù)量的CN引入會(huì)引起分子光電性質(zhì)發(fā)生規(guī)律性的變化,為合成高能量轉(zhuǎn)換效率的小分子受體材料提供理論支持。2.分子扭曲程度對(duì)小分子受體材料實(shí)現(xiàn)三維傳輸和提高光伏性能有重要影響,所以探究受體材料扭曲程度與光伏性能的關(guān)系是必要的�；邴u化六苯并寇(8F-8C1-cHBC)衍生物,通過(guò)引入苯并噻二唑(BT)橋和關(guān)閉HBC外圍環(huán)改變扭曲度設(shè)計(jì)一系列分子(1-14)。采用DFT和TDDFT方法對(duì)與VOC有關(guān)的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí),以及與Jsc有關(guān)的吸收光譜進(jìn)行系統(tǒng)的研究。與此同時(shí),采用馬庫(kù)斯半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞骄縋3HT/1-14界面的分子間電荷轉(zhuǎn)移速率和復(fù)合速率進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示:8F-8C1-cHBC二聚物通過(guò)引入BT橋可以有效地調(diào)節(jié)能級(jí)、增加光吸收,并與P3HT給體性能匹配。改變HBC單元閉環(huán)數(shù)量可以規(guī)律的改變分子的扭曲程度,從而調(diào)節(jié)形貌和π-π相互作用形成三維電荷傳輸。因此,基于這部分工作中的策略,我們?cè)O(shè)計(jì)的稍微彎曲的非平面結(jié)構(gòu)的二聚物受體可能有卓越的光伏性能。3.分子骨架的幾何決定分子光電性質(zhì),這是影響器件光伏性能的主要因素。所以,在分子水平上上,設(shè)計(jì)并比較基于9,9'-bifluorenylidene(99'BF)受體的分子構(gòu)象、類型重復(fù)單元數(shù)量對(duì)分子光伏性能的影響是系統(tǒng)而有意義的研究。采用DFT和TDDFT方法計(jì)算電子結(jié)構(gòu)、VOc和與Jsc有關(guān)的參數(shù):吸收光譜、電子-空穴相關(guān)、驅(qū)動(dòng)力和界面電荷轉(zhuǎn)移和復(fù)合速率以及分子各個(gè)單元的軌道貢獻(xiàn),解釋幾何-性質(zhì)之間的關(guān)系并表征分子光伏性能。計(jì)算結(jié)果顯示:p構(gòu)象線性結(jié)構(gòu)的4單元數(shù)分子顯示出大的VOC、容易的激子解離、與給體匹配的能級(jí)和吸收光譜、界面上大的分離速率和小的復(fù)合速率,是構(gòu)建有機(jī)光伏器件的優(yōu)秀受體材料。研究結(jié)果表明:系統(tǒng)地篩選分子構(gòu)象→結(jié)構(gòu)→重復(fù)單元數(shù)量是設(shè)計(jì)高性能非富勒烯小分子受體的有效策略。4.在第三部分研究的基礎(chǔ)上,這一部分將重點(diǎn)集中在與99'BF結(jié)構(gòu)和性能相似的BAE衍生物的研究。為了得到高性能的BAE衍生物,我們制定了一系列的分子篩選計(jì)劃。首先在分子BAE的X/Y位置上引入不同的雜原子并表征分子性能,選擇P3HT為受體,進(jìn)行給、受體性能的匹配性驗(yàn)證。然后,基于雜原子篩選的結(jié)果,通過(guò)連接不同數(shù)量和種類的基團(tuán)進(jìn)一步設(shè)計(jì)受體小分子,結(jié)合DFT表征這些分子的光伏性能并進(jìn)行比較。結(jié)果表明引入C=O的A構(gòu)象分子A7和引入S和一個(gè)C=O的構(gòu)象T的分子T3和T6是有潛力的受體材料�；谶B接基團(tuán)的數(shù)量和種類的研究還在進(jìn)行中。
【圖文】：

逡逑異質(zhì)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)如圖１．１ｂ所示，選擇匹配的給、受體材料可得到寬的吸收，逡逑比單質(zhì)結(jié)器件（圖１．１ａ）的光電轉(zhuǎn)換效率高。但是，電荷只能在給、受體的界面處逡逑分離，限制了器件的光吸收，從而阻礙了器件的發(fā)展。ＢＨＪ器件（圖１．１ｃ）是基于逡逑由電子供體（Ｄ）和電子受體（Ａ）材料接觸產(chǎn)生的異質(zhì)結(jié)。針對(duì)ｐ－ｎ異質(zhì)結(jié)缺點(diǎn)，ＢＨＪ逡逑器件的混合層可以充分地增大給受／體的接觸面積，，具有激子分離效率高和制備逡逑工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)成為ＯＰＶ器件的研宄主流。而級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是一種增加材料層數(shù)的逡逑串聯(lián)器件，利用不同材料的優(yōu)勢(shì)性質(zhì)，同時(shí)也增加了器件制備的難度。近年來(lái)，逡逑ＢＨＪ器件又發(fā)展了具有長(zhǎng)的壽命和高的穩(wěn)定性的一種倒置的器件結(jié)構(gòu)［１４］（圖ｌ．ｌｅ）。逡逑邐邐，邐［邋ｉｆｅ邐邋｜邐，０逡逑ｉ邐陰極邐Ｉ邋＾邋受體材料邐＾逡逑ｊ邐玻璃基底邐｜邐玻璃傶底逡逑ａ邐邐ｂ邐]嬪義希橐跫緙╁危沐義匣靶緣ピ峁梗插五逡誨蔚洛義希礤危卞巍五五五義縣巍福叔吻尚裕蓿�！逦辶x縣窩艏危劐窩艏В懼邋五義霞瑍栧危ǎ咤尾５洹哄五義賢跡保降湫偷鈉骷峁梗唬幔ブ式崞骷

本文編號(hào)：2524522