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理论研究共轭聚合物的结构和电子性质及有机导体和有机太阳能电池材料的分子模拟

邓理丹  
【摘要】:本论文采用密度泛函理论研究了近年来倍受关注的共轭聚合物,并通过对它们的单体、低聚物和聚合物结构的计算,详细讨论了聚合物作为导电材料和太阳能电池材料的潜在可能性。另外,文章还分析了不同单元的比例对计算结果的影响。主要内容如下: 第一节首先介绍了有机导电聚合物研究现状、导电机理以及设计。导电聚合物由于具有良好的导电性能和独特的光学特性,已经引起了广泛的关注。其次介绍了有机太阳能电池的发展情况和工作原理。另外,还介绍了本文所做的工作及其意义。 第二节详细介绍了本论文所用的计算方法即密度泛函理论(DFT)。同时还介绍了几种重要的理论分析手段和方法:分子中的原子(AIM)理论,自然成键轨道(NBO)分析,核独立化学位移(NICS)分析和含时密度泛函理论(TD-DFT)。 第三节使用密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d)水平下,对基于二苯噻吩的供体-受体低聚物的结构和电子性质进行了计算。文中二苯噻吩(DBT)为电子供体,thieno[3,4-b]pyrazine (TP), thieno[3,4-b]thiadiazole (TD),通[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[3,4-b]pyrazine (TTP)为电子受体。并在同一理论水平下对它们周期聚合物的结构和电子性质进行了研究。另外,通过分子桥键键长、成环临界点的电荷密度和核独立化学位移来分析其导电性。核独立化学位移显示:分子的聚合程度随着链的加长而增强。在本论文中也考虑了供体受体比例(D-A比例)的影响,结果表明:D-A比例为1:2的导电能力比1:1的好。此外,文中还讨论了重组能和能带结构。(BTDDBT)n和(BTPDDBT)n拥有很小的重组能(分别为0.163eV和0.152eV)和很低的带隙(分别为0.73eV和0.56eV),因此,是良好的潜在导电材料。第四节将3,4-次乙烯二氧噻吩(VDOT)与thieno[3,4-b]pyrazine(TP), furo[3,4-b]pyrazine(FP)和6H-Pyrrolo[3,4-bpyrazine(PP)组合,获得了一系列3,4-次乙烯二氧噻吩衍生物。采用密度泛函理论对其单体、低聚物和聚合物的结构和电子性质进行了深入研究。通过分析结构的变化、中心键性质以及核独立化学位移后发现:随着聚合度的增加物质的共轭性也随之增加。为了了解不同的VDOT与TP、FP、PP比例对电子性质的影响,又对V-P比例为1:1、1:2和2:1时的计算结果进行了比较分析,结果表明,V-P比例为1:2化合物共轭性最好,而2:1时共轭性最差。由于1:2和2:1的二聚物电子传输重组能相对较小,说明其相应的聚合物可能为潜在的电子传输材料。同时,聚合物的能带结构显示:V-P比例为1:1的聚合物(包括(VDOT-TP)n, (VDOT-FP)n和(VDOT-TP)n)具有相对低的带隙和很宽的带宽,因此可以做为潜在的导电材料。另外,(VDOT-BTP)n和(VDOT-BFP)n有着非常低的带隙(分别为0.73和0.87 eV),且拥有合适的带宽,也是良好的本征导电材料。 第五节设计了九种聚物做为太阳能电池的供体材料。这些聚合物的主体结构是以苯二噻吩(BDP)为电子供体,2,1,3-benzothiadiazole(BT)为受体,然后再向其中并入比例为1:1和1:2的噻吩、呋喃和吡咯。文章分析了这些化合物在环境中结构的稳定性、吸收太阳光的能力和光伏性质。结果表明:当BDPBT并入噻吩、呋喃和吡咯后,激子的产生和分离能力增强,吸收光谱中的最大吸收峰发生红移,空穴和电子重组能降低。特别是(BDTBT-T2)n,当PC61BM作为电子受体材料时,与其他八个聚合物相比,它还具有相对高的开路电压,因此,该聚合物可作为良好的混合异质结太阳能电池材料。


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