有机太阳能电池小分子供受体材料光电性能的理论研究

作     者：冉亚林 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李明

授予年度：2018年

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

主      题：有机太阳能电池 A-D-A骨架 光电性能 供/吸电子性 电荷转移 

摘      要：有机太阳能电池是太阳能开发与利用的重要研究领域。在了解有机太阳能电池的发展史、器件构造、光伏材料以及工作原理等信息后,研究并设计出具有高性能的有机太阳能电池供受体材料,以及用理论解释分子结构与材料光电性能之间的关系是我们研究的主要目的。在高斯09程序下,通过密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT),以及Marcus电荷转移理论,同时结合多种软件如GaussView,Chemdraw,HyperChem,Multiwfn,ADF等从理论上研究了一系列有机小分子供受体材料的光电性质。计算结果表明通过合适的方法调节供受体单元的供电子或吸电子性能可以改变分子的能级能隙值,光学性质,同时提高电荷转移速率和载流子迁移率;从理论上解释并指导如何在实验上设计并得到高效有机太阳能电池器件。本文主要内容如下:第一节前言部分主要介绍了有机太阳能电池的发展历程,国内外研究现状,有机太阳能电池器件构造与工作原理以及有机太阳能电池活性材料的简介。同时阐述了选题理由以及研究意义,并介绍了研究的主要内容。第二节主要阐述了本文理论研究过程所用到的一些理论与计算方法以及性质的表征方法。如密度泛函理论和含时密度泛函理论,Marcus理论等、介绍了每个理论的基本原理,含义,以及所需要用到的一些公式推理等过程。以及有机太阳能电池光电转化效率的的理论特征。第三节是基于吡咯并吡咯二酮类非富勒烯小分子受体材料结构修饰对其光电性质影响的理论研究。在以邻苯二甲酰亚胺为端位基团,通过乙炔基团连接中间的吡咯并吡咯二酮(DPP)发色单元的A-D-A型实验分子SMa的基础上,研究通过两种策略改变中间DPP单元的结构对受体材料的电子性质和光学吸收性质所产生的影响。通过对比中间DPP单元连接噻吩环和噻唑环以及直接去掉噻吩环或噻唑环与DPP单元之间的单键,通过双键将其与DPP环融合后对整个分子性能的影响。这样的结构修饰将会如何影响A-D-A骨架分子的中间单元的供体D部分的供电子能力?通过计算结果表明:用噻唑环取代后的分子将会削弱中间单元的供电子能力,然而,融合的环状却可以增强其供电子能力。中间部分供电子性增强的SMa1和SMb1具有合适的前线分子轨道能级值,更好的光学吸收性质,以及更好的电荷转移率和载流子迁移率。因此本节通过理论合理地解释了现象,对小分子受体材料的设计与筛选提供了理论依据。第四节研究了吡咯并吡咯二酮(DPP)、噻吩、和苯基等单元构成的A-D-A型小分子供体材料T-ph-T。在本节中,我们改变了中间供体单元的结构来调节其供电子能力对小分子材料性能的影响。首先将连接噻吩与苯环的单键去掉将其融合成一个具有大的共轭环状的噻吩并苯环单元,其次我们又添加一个噻吩环在中间苯环的两侧。在实验分子T-ph-T的基础上,由上两种方法设计出分子TphT、2T-ph-2T、2Tph2T。通过理论计算得出:去掉单键将噻吩连苯环变成噻吩并苯环可以明显提高材料的平面性,降低其HOMO能隙值,并且还可以使紫外可见吸收光谱发生红移,但不能避免的是会增加重组能。通过在中间的噻吩连苯环或噻吩并苯环边上增加一个噻吩变成双噻吩连或并苯环会升高HOMO能级,同时增加共轭链长度,使最大吸收峰的振子强度明显增强,重组能明显降低从而提高空穴传输速率与空穴迁移率。总之,通过理论的计算与模拟。本文对供体材料分子的设计以及分子光电性能的预测提供了一定的理论指导。第五节在以二噻吩并吡咯(DTP)为供体(D)单元,噻吩并吡咯二酮(TPD)为受体(A)单元,噻吩为π桥的A-D-A型小分子供体材料的实验分子D-TPD的基础上,设计并研究了四个供体小分子材料D-TPD,D-TPD-T,D-DPP,D-DPP-T。由于DPP单元是与TPD单元结构相似的吸电子单元,则同在以DTP为核的A-D-A结构中,两个不同的受体单元与DTP供体单元相互作用,谁具有更好的吸电子性?同时将具有芳香性的噻吩基团加到A-D-A骨架的分子中的端位又会使供体材料的性能发生怎样的改变呢?通过理论计算我们发现结构修饰所带来的变化与规律。D-TPD-T,D-DPP,D-DPP-T三个分子比D-TPD分子拥有好的平面性、光学吸收性、以及空穴传输速率。因为DPP单元本身的共轭骨架可以延长A-D-A骨架分子的共轭链,从而增加共轭性,减小光学能隙,使紫外可见吸收光谱的最大吸收波长红移。在端位增加噻吩基团可以进一步增加A-D-A骨架分子的共轭链,以促进其光电性能与空穴传输性能。由此可见,将TPD单元换成DPP单元以及在A-D-A骨架分子的两端加上具有共轭性的噻吩基团可以很好的调节供体材料的光电性能。