基于噻吩齊聚物的有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料的分子設(shè)計(jì).pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池由于其質(zhì)量輕,易于在分子水平上加工和改性,所以引起了研究者的廣泛關(guān)注。利用量子化學(xué)方法研究有機(jī)太陽(yáng)能電池材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系已經(jīng)成為材料科學(xué)中不可或缺的手段。本文的目的在于利用量子化學(xué)手段,選擇合適的模型與方法,對(duì)寬吸收光譜機(jī)制進(jìn)行模擬和解釋,并在此基礎(chǔ)上對(duì)分子進(jìn)行有目的的化學(xué)修飾,對(duì)其電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)、傳輸性能和穩(wěn)定性進(jìn)行理論預(yù)測(cè),從理論上評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)分子的性能,為新型有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料的分子設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本論

2、文的研究工作主要包括以下四個(gè)方面的內(nèi)容:
　　 1、采用密度泛函方法,對(duì)齊聚噻吩(OT)和齊聚噻吩乙烯(OTV)的寬吸收光譜機(jī)制進(jìn)行理論模擬和解釋。計(jì)算結(jié)果表明,OT和OTV具有寬吸收光譜的原因是各種構(gòu)象和／或構(gòu)型同分異構(gòu)體具有相似的能量而同時(shí)存在,而它們的吸收光譜又不盡相同。同時(shí),綜合評(píng)價(jià)了分子的電荷傳輸和穩(wěn)定性能。事實(shí)證明,我們的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,同時(shí)也證明了我們?cè)谟?jì)算中采用的理論計(jì)算方法和基組是可靠的,為下一步分子設(shè)

3、計(jì)提供有效手段。
　　 2、采用已確定的理論計(jì)算方法和基組,研究了OT和OTV衍生物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(V-型與線型)與其電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)、電荷傳輸性能和穩(wěn)定性之間的關(guān)系。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于分子的前線軌道能級(jí)影響很大。因?yàn)殚g位取代導(dǎo)致共軛性不好,所以間位取代苯環(huán)為中心的V-型OT衍生物具有較大的能隙。苯環(huán)為封端基團(tuán)時(shí),會(huì)使分子的最大吸收波長(zhǎng)發(fā)生紅移。間位取代苯環(huán)為中心V-型OTV衍生物具有最好的電荷傳輸性能。同時(shí),由于具有較小的電子和空穴重

4、組能的差值,所有分子都可以作為雙極性電荷傳輸材料。靜電勢(shì)能結(jié)果表明苯環(huán)作為中心的分子的穩(wěn)定性要高于苯環(huán)作為封端基團(tuán)的分子的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,利用外推方法設(shè)計(jì)出相應(yīng)聚合物(1,2,4-取代苯環(huán)為中心,OTV為側(cè)鏈),其性能優(yōu)于現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的聚噻吩。
　　 3、我們將噻吩并[3,2-b]噻吩和它的類似物以及拉電子(-NO2)和／或推電子取代基(-OCH3)分別引入OTV來(lái)調(diào)節(jié)母體分子的電子和光譜性質(zhì),在理論上確定了進(jìn)一步增加吸收光

5、譜范圍的有效方式以及獲得高性能的太陽(yáng)能電池給體材料。我們也研究了所有分子的電荷傳輸性能和穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明,噻吩并[3,2-b]噻吩及其類似物作為中心對(duì)分子的前線軌道能級(jí)、能隙和吸收光譜的影響較小。與母體分子相比,含有-NO2和／或-OCH3取代基的OTV衍生物的吸收光譜發(fā)生了明顯的紅移。根據(jù)重組能數(shù)據(jù),1,4-雙氫吡咯并[3,2-b]吡咯為中心以及-NO2取代基都可以提高OTV衍生物的電荷傳輸性能。所有分子都可以作為雙極性電荷傳輸材

6、料。含有-NO2取代基的分子具有較高的穩(wěn)定性。
　　 4、考慮到太陽(yáng)能電池給體材料的前線分子軌道能級(jí)要與受體材料的前線分子軌道能級(jí)匹配,所以我們選擇典型的富勒烯衍生物作為受體材料,利用三苯胺(TPA)、4,7-雙噻吩基苯并[c][1,2,5]噻重氮(DBT)和五聚噻吩(5Th)三個(gè)構(gòu)筑單元設(shè)計(jì)構(gòu)建前線分子軌道適合、寬光譜強(qiáng)吸收、高且平衡的電荷傳輸以及良好穩(wěn)定性的新型給體分子來(lái)提高太陽(yáng)能電池的效率。采用已確定的理論計(jì)算方法和基組,

7、預(yù)測(cè)了其電子性質(zhì)、光譜性質(zhì)、電荷傳輸性能。計(jì)算結(jié)果表明,TPA(DBT-TPA-5Th)作為中心會(huì)使分子的HOMO能級(jí)降低、LUMO能級(jí)升高以及能隙增大(與DBT和5Th相比)。DBT(TPA-DBT-5Th)為中心的分子的吸收光譜范圍最大(與TPA和5Th相比)。我們?cè)谀阁w分子TPA-DBT-5Th中引入不同連接方式(乙烯、乙炔和苯基)和拉-電子取代基(-NO2和-CN)來(lái)調(diào)節(jié)其電子和光譜性質(zhì)。乙烯和乙炔作為連接橋是降低能隙、增加吸收