有机太阳能电池体系电荷分离与复合速率的理论预测

作     者：孙冠楠 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨兵

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Marcus–Levich–Jortner方程 电荷分离速率与复合速率 分子内和分子间电荷转移共存复合体系 

摘      要：目前一些光电转换效率较好的有机太阳能体系中，电子给体材料往往具有分子内Donor-Accepter结构，这就意味这种体系很可能是分子内电荷转移和分子间电荷转移同时存在。这类体系的高光电转换效率是否与分子内电荷转移过程的存在有关？我们设计D1/A2和D1-A1/A2两种具有比较意义的分子模型体系，一个仅具有分子间电荷转移过程，另一个兼具分子间和分子内电子转移过程。，通过对比两种体系电子云密度分布，HOMO和LUMO能级，重组能，电子耦合强度以及自由能等，利用Marcus–Levich–Jortner方程计算电荷转移与复合速率，判断分子内电荷转移过程是否有利于提高分子间电荷转移过程的光电转换效率。 本论文分为三章。第一章为引言，对目前太阳能电池的发展现状，基本器件结构与工作原理以及现有材料效率不高的原因进行了概述。第二章阐述了本论文所使用的基本原理，如Franck-Condon原理，波恩-奥本海默原理，绝热与非绝热反应，以及一些电子转移运动的经典计算模型，如Marcus的经典与半经典模型和量子力学模型，之后对本论文所使用的核心方程Marcus–Levich–Jortner方程的各部分的物理意义，以及相关参数的具体算法进行了详细的介绍。 第三章为实验模拟部分。我们以NZP和TPA-NZP作为电子给体，PCBM为电子受体，形成了D1/A2和D1-A1/A2两种不同的太阳能电池体系，TPA-NZP由于给电子能力强的TPA基团的加入，可以形成分子内电荷转移，希望通过对分子间电荷转移速率的计算，知道分子内电荷转移是否会影响分子间的电荷转移效率。然后设计了两种不同的空间结构模型：垂直结构和水平结构，通过Donor和Acceptor位置的改变，深入了解分子内电荷转移对分子间电荷转移速率影响的物理机制。通过模拟计算，我们发现在垂直结构的体系中，分子内电荷转移能够在发生分子间电荷转移之前使激子在分子内预先分离，降低激子的束缚能，使得分子间电荷转移变得更容易，进而提高了电荷分离效率;而在水平结构中，由于不存在垂直结构那种能量逐级下降的电子跳跃结构，分子内电荷转移方向与分子间电荷转移方向无关，尽管相对于NZP/PCBM体系，TPA-NZP/PCBM束缚能也有所降低，但分子间电荷分离速率没有明显变化，反而电荷复合速率有升高的趋势。这能够说明分子间相对界面结构位置亦对分子间电荷转移有很大影响，对于D1-A1/A2复合体系而言，垂直结构位置（即电荷转移方向一致）更能体现出分子内电荷转移与分子间电荷转移协同诱导光电转换效率增强的性质。