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《西南大学》 2015年
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有机太阳能电池D-A型供受体材料的理论研究

付智勇  
【摘要】:有机太阳能电池由于其具有成本低、重量轻、易加工等优势,受到了越来越多人的关注。有机太阳能电池的活性层通常由供体材料和受体材混合而成。根据活性层组成材料可以分为有机小分子和聚合物电池,其中聚合物太阳能电池成为该领域的研究热点。近些年,聚合物太阳能电池能量转化效率取得了显著的进展,然而仍然没有达到商业化应用的要求。在此,我们从理论角度尝试设计新型的供体和受体材料来改善有机太阳能电池的性能。并且希望我们的研究能给与实验工作者在设计供受体材料时提供理论依据和指导。主要研究内容包括以下三个方面:1.理论研究新型的梯型并环缺电子-单元对donor-acceptor (D-A)供体性能的影响目前,大量的报道含有梯型并环结构的供体分子,其梯型结构都是在D-A供体的给电子部分。在本文中,我们首次把D-A供体缺电子部分设计成梯型稠环结构。通过使用密度泛函及含时密度泛函方法分别计算供体分子的HOMO/LUMO能级、光吸收光谱以及电荷转移速率。通过与给电子部分为梯型结构的供体分子对比,我们发现含有梯型结构缺电子部分的供体分子具有相同的优点:增强分子链内的π共轭程度、减小能隙和重组能以及有利于分子间的π-π堆叠等。然后,我们在梯型缺电子部分上引入给电子基和吸电子基进一步调节供体分子的电子、光学以及电荷传输性质。根据对计算结果的总结和分析,我们发现在供体分子引入合适的梯型结构缺电子部分可以明显地提高电池的性能。2.取代基(H, CH3, OCH3和CN)双取代联噻吩桥对D-π-A供体性能的影响迄今为止,大量的报道都是关于设计新型的D和A建构单元来提高供体分子的光电性能,然而,关于研究D-π-A聚合物中π-桥的报道却非常少。虽然有文章报道了通过引入不同的π-桥来改善D-π-A供体分子光伏性能。但是,没有人去研究在π-桥引入不同的取代基来修饰供体分子。在此,我们用不同的取代基(H, CH3, OCH3和CN)对联噻吩桥进行双取代,然后对影响D-π-A供体分子光电转换效率的因素进行了讨论,如:HOMO/LUMO能级、光吸收效率、重组能以及载流子迁移率。计算结果表明,联噻吩桥上的取代基对D-π-A共聚物的基态结构、电子、光学性质和空穴迁移率有重大影响。我们还发现在联噻吩桥同时引入给电子和吸电子集团不仅便于调节聚合物的能级和能隙,而且还可以改善供体的电荷传输性质和光电性能。3.理论设计新型蒽和吡啶并[2,3-g]喹啉二酰亚胺类n-型共聚物用于有机太阳能电池与大量的供体材料的研究报道相比,关于受体材料的研究远远少于供体。PC61BM/PC71BM ([6,6]-苯基-C61/C71-丁酸甲酯)是最常用的受体,然而,可见区域的光吸收性能弱和低LUMO能级是两个阻碍PC61BM和PC71BM成为优秀受体的不利因素。因此,设计和合成高效的受体替代经典的电子受体PC61BM和PC71BM是一个很有前景的研究方向。近些年,芳香二酰亚胺类物质因其优秀的电子和光学性质已逐渐用于受体材料,例如萘和苝二酰亚胺衍生物;同时它们也被认为是最有可能取代经典的富勒烯受体的物质。在此,我们首次从理论上探讨分子骨架的平面性和缺电子部分的吸电子能力强弱是如何对D-A非富勒烯受体性能参数产生影响,例如:HOMO/LUMO能级、光吸收范围和吸收效率、供受体界面的激子分离效率以及分子间电子迁移率。由计算结果可知,改善分子骨架的平面性和增强缺电子部分的吸电子能力可以显著地改善上述的参数。这可以给实验设计性能优良的非富勒烯受体材料提供一定的理论依据和指导。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM914.4

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