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某些聚合物光电材料的理论计算

解晓华  
【摘要】:有机光电材料在有机光伏电池、发光二极管、场效应晶体管、以及传感器等领域有着广泛的应用。其中,聚合物太阳能电池(PSC)因为价格低廉、质量轻、弹性好、容易加工等优点受到人们的广泛关注。在过去的十年里,聚合物太阳能电池已经取得了较大的进步,目前,其功率转化效率(PCE)已经达到8.3%,然而PSC的低光电转化效率仍然是其商业化的重大障碍。量子化学计算不仅能从理论上解释PSC的光电转换机理,还能预测新型具有优良光伏性能的聚合物,这对改善PSC的性能是一项十分必要的工作。因此,本文采用密度泛函理论研究并揭示了具有较高PCE的苯并二噻吩类聚合物的光电转换机理,并研究了哒嗪类和呋喃并呋喃类聚合物的光伏性能。此外,在聚合物发光二极管(PLED)中,绿光、红光、以及白光聚合物材料的发光效率已经很高,而蓝光聚合物材料仍然较少,本文在分子层面研究了基于螺芴的蓝光材料的电子结构和光学性质,并对设计的新型聚合物作为PLED的潜在性进行了分析。 基于苯并二噻吩(BDT)的聚合物PBDTTBT是一种良好的供体材料,它与PC70BM组成的聚合物太阳能电池的效率可以达到5.66%。为了在分子层面探究聚合物PBDTTBT的光电转换机理,我们采用密度泛函理论计算了PBDTTBT的电子结构和光学性质、前线分子轨道能量水平、带隙、激子分离及复合时的速率之比、及其空穴迁移率等参数,来分析影响其光伏性能的因素。研究表明,PBDTTBT具有良好的稳定性和捕获光量子能力、较大的开路电压和电荷传输性质(0.22cm2V-1S-1)、以及较强的供/受体界面激子分离能力,这些表明PBDTTBT/PC70BM具有优良的光伏性能,这与实验检测的结果一致。此外,由于BDT衍生物的分子结构不仅能够保持其较大的迁移率,还能够使其分子形成共面的π-π堆积,且在2008年,Yang Yang课题组曾经预言BDT结构单元在聚合物分子设计方面必定会起到重要的作用。鉴于此,我们基于BDT的结构单元,设计了四种聚合物:PBDTTTP、PBDTTTO、PBDTTTPD、和PBDTTFPD,并从分子层面比较了这四种设计的聚合物与PBDTTBT在光伏性能上的区别,以预测这些设计的聚合物作为PSC材料的潜在性。通过与PBDTTBT的比较表明,在四种聚合物中,只有PBDTTTP和PBDTTTO具有更稳定的分子结构、更高的理论开路电压,以及更大的短路电流。因此,PBDTTTP和PBDTTTO是潜在的光伏材料,有一定的光伏前景。 近年来,哒嗪及其衍生物由于其较好的共轭性且含有较多的氮杂原子环而被广泛地应用于光学和医学领域。哒嗪类聚合物是否适合作为太阳能电池材料呢?本文选择了五种母体分子:pyridazine(P)、[1,2,5]thiadiazolo[3,4-d]pyridazine(TP)、[1,2,5]oxadiazolo[3,4-d]pyridazine (OP)、isothiazolo [3,4-d]pyridazine (ITP) isoxazolo[3,4-d]pyridazine (IXP),设计了五种A-A型均聚物:PP、PTP、POP、PITP、和PIXP。另外,在以上五种均聚物中,分别按照1:1和1:2的比例插入富电子的噻吩供体(A),形成五种D-A式的共聚物PTHP、PTHTP、PTHOP、PTHITP PTHIXP,和五种D-A-D式共聚物:PDTHP、PDTHTP、PDTHOP、PDTHITP、PDTHIXP。以上十五种聚合物作为受体,以PC61BM为供体,通过密度泛函理论分别研究了它们作为光伏供体材料的潜在性。研究的内容主要涉及到聚合物/PC61BM的开路电压,以及聚合物的带隙、低聚体的吸收光谱、聚合物的空穴传输速率等影响短路电流的主要因素。此外,我们还研究了四种聚合物的结构与性质稳定性。通过对比均聚物和共聚物之间的性质差异,研究表明,噻吩的加入改善了聚合物的稳定性,增强了供体/受体界面的激子分离能力、增大了聚合物的空穴传输性质等短路电流的影响因素,保持了较高的开路电压。在这十五种聚合物中,D-A-D式的共聚物PDTHTP、PDTHOP、PDTHITP、和PDTHIXP在光伏性能上优于经典的光伏材料(P3HT),因此,以上四种共聚物是潜在的优良的光伏材料。 由于苯并二噻吩是个优良的供体(D),哒嗪及其衍生物是良好的受体(A),我们以苯并二噻吩(B)为供体,四种哒嗪的衍生物作为受体:[1,2,5]thiadiazolo[3,4-d]pyridazine (TP)、[1,2,5]oxadiazolo[3,4-d]pyridazine (OP)、 thieno[3,4-d]pyridazine-5,7-dione (TPD)、以及furo[3,4-d]pyridazine-5,7-dione (FPD),设计了四种D-A式的共聚物PBTP、PBOP、PBTPD、和PBFPD。通过密度泛函理论研究了聚合物/PC61BM的开路电压,以及聚合物的带隙、低聚体的吸收光谱、聚合物的空穴传输速率等影响短路电流的主要因素。此外,我们还研究了四种聚合物的结构与性质稳定性。研究结果表明,本章设计的聚合物都具有优良的光伏性能,是潜在的光伏材料,尤其是聚合物PBTP和PBOP。 应用于太阳能电池的聚-3烷基噻吩(P3HT)/PC61BM的效率已经达到5%以上我们主要采用周期边界条件-密度泛函理论(PBC-DFT)方法,研究了P3HT的光电转换机理.为了设计出光伏性能优于P3HT的聚合物,我们基于氰基(CN)取代的四种呋喃并呋喃化合物,furo[3,4-b]furan-2-carbonitrile (FF1) furo[3,4-b]furan-3-carbonitrile (FF2)、furo[3,2-b]furan-3-carbonitrile (FF3)、和furo[2,3-b]furan-3-carbonitrile (FF4),设计了六种聚合物:PFF1、PFF2、PFF3a、PFF3b、PFF4a、PFF4b。通过比较这六种聚合物与P3HT在电子结构和光学性质方面的不同,来研究它们作为聚合物太阳能电池的潜在性。此外,为了研究氰基对聚合物电子结构和光学性质的影响,我们还对比了上述氰基取代的呋喃并呋喃聚合物和非取代的呋喃并呋喃聚合物在光伏性能上的差异。研究表明,氰基取代的PFF3a和PFF3b聚合物具有优于P3HT的结构和性质稳定性、更大的开路电压和短路电流,是潜在的优于P3HT的光伏材料。而且,CN不仅能够增强呋喃并呋喃聚合物的稳定性、拓宽吸收光谱、降低带隙,还可以增大聚合物的空穴传输速率。 螺芴(SF)由于其不寻常的三维刚性结构而表现出较好的热化学和光学稳定性。我们采用DFT方法和Marcus理论模拟了一系列基于螺芴衍生物的发射蓝光的材料,PSF、PCC-1、PCC-2、PCC-3、PCF,目的是研究其不同发光性质的本质原因。此外,根据PCC-2的结构,我们设计了聚合物PNF,并从理论上研究了其作为聚合物发光二极管发射层的潜在性。研究表明,PCC-1、PCC-2、以及PCC-3等共聚物的电荷注入与传输性质明显优于均聚物PSF和PCF,这使得共聚物的光电性能明显优于均聚物,尤其是PCC-2,其发光寿命是这五种聚合物中最大的,这使得其电致发光性质最好。PNF与PCC-2拥有类似的电荷注入和传输性质,而且,PNF的发光寿命明显大于PCC-2。因此,PNF是一种优于PCC-2的蓝光发光材料。


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