DA交替型有機太陽能電池供體材料的分子設計及其光電性能的理論研究.pdf

1、本文主要運用密度泛函理論（DFT）和含時密度泛函理論（TD-DFT）研究了三種DA交替型有機太陽能電池供體材料的光電性能。我們通過對聚合物供體材料以及小分子供體材料的計算，探討分子結構與分子性質之間的關聯。我們的主要目的是提供一套有效的供體分子的設計策略，給實驗工作一些指導。
　　第一節(jié)簡要介紹了有機太陽能電池的結構及其工作原理，同時也對有機太陽能電池中的電子供受體單元，以及有機太陽能電池的研究現狀進行了簡單介紹。另外，我們還闡述

2、了本文所做工作的意義。
　　第二節(jié)詳細介紹了本文主要采用的理論計算方法：DFT和TD-DFT。在此基礎上，我們還介紹了一些其他重要的理論分析方法和手段：如分子中的原子（AIM）理論，自然成鍵軌道（NBO）分析和核獨立化學位移（NICS）分析。另外，我們還簡要介紹了Marcus理論在電子轉移研究中的相關應用。
　　第三節(jié)采用DFT和TD-DFT模擬了含有苯并二噻吩（BDT）單元和噻吩并吡咯二酮（TPD）衍生物單元的一系列新穎共

3、聚物。系統(tǒng)地研究了在TPD衍生物中使用不同的硫族噻吩以及在N原子上引入不同吸電子能力的功能基團（如甲基、氟原子、磺?；颓杌Ψ肿訋缀谓Y構參數、電子性質、光學性質、光伏性能和分子堆疊以及空穴遷移率的影響。這個取代位置上的吸電子基團（特別是氟和氰基）與鄰近的供體單元只產生很小的位阻。研究結果表明引入這些新的缺單子取代基和硫-硒交換能用于進一步修飾和優(yōu)化已有的分子結構。
　　第四節(jié)基于已經合成出來的小分子供體（1s），我們采用DFT

4、、TD-DFT和馬庫斯理論設計并表征了六個新的A-A-D-A-A型小分子供體。通過計算前線分子軌道能級和光譜性質，我們發(fā)現隨著供體分子中雙噻吩間的芳香稠環(huán)的增加，HOMO能級升高而能隙（Eg）減小。此外，為了深入研究有機太陽能電池中電荷轉移和傳輸性質與短路電流（JSC）的關系，我們還考察了分子激發(fā)態(tài)的特征、電離勢（IPs）和電荷傳輸性質。結果表明化合物3c，3n和3o具有比母本分子（1s）更可觀的JSC和更好的光電性能，并且在有機小分子

5、太陽能電池中具有很大潛力。
　　第五節(jié)從理論的角度研究含有DPP及其衍生物的小分子供體。采用內酰胺-內酰亞胺和烷氧基-硫氧基這兩種變換對吡咯并吡咯二酮（DPP）及其衍生物進行分子結構微調。結構微調導致相連的吡咯環(huán)衍生物的芳香性被打破。這種方法能夠實現同時降低供體的HOMO能級和能隙。比起母本分子，結構調整之后的小分子供體不僅吸收光譜紅移，而且顯示出更大的空穴傳輸速率，更大的填充因子，更大的開路電壓和更高的太陽能電池效率。此外，我們