论文部分内容阅读
有机太阳能电池由于其质量轻,易于在分子水平上加工和改性,所以引起了研究者的广泛关注。利用量子化学方法研究有机太阳能电池材料结构与性能之间的关系已经成为材料科学中不可或缺的手段。本文的目的在于利用量子化学手段,选择合适的模型与方法,对宽吸收光谱机制进行模拟和解释,并在此基础上对分子进行有目的的化学修饰,对其电子性质、光谱性质、传输性能和稳定性进行理论预测,从理论上评价设计分子的性能,为新型有机太阳能电池给体材料的分子设计提供理论依据。本论文的研究工作主要包括以下四个方面的内容:
1、采用密度泛函方法,对齐聚噻吩(OT)和齐聚噻吩乙烯(OTV)的宽吸收光谱机制进行理论模拟和解释。计算结果表明,OT和OTV具有宽吸收光谱的原因是各种构象和／或构型同分异构体具有相似的能量而同时存在,而它们的吸收光谱又不尽相同。同时,综合评价了分子的电荷传输和稳定性能。事实证明,我们的计算结果与实验结果相符,同时也证明了我们在计算中采用的理论计算方法和基组是可靠的,为下一步分子设计提供有效手段。
2、采用已确定的理论计算方法和基组,研究了OT和OTV衍生物的拓扑结构(V-型与线型)与其电子性质、光谱性质、电荷传输性能和稳定性之间的关系。拓扑结构对于分子的前线轨道能级影响很大。因为间位取代导致共轭性不好,所以间位取代苯环为中心的V-型OT衍生物具有较大的能隙。苯环为封端基团时,会使分子的最大吸收波长发生红移。间位取代苯环为中心V-型OTV衍生物具有最好的电荷传输性能。同时,由于具有较小的电子和空穴重组能的差值,所有分子都可以作为双极性电荷传输材料。静电势能结果表明苯环作为中心的分子的稳定性要高于苯环作为封端基团的分子的稳定性。在此基础上,利用外推方法设计出相应聚合物(1,2,4-取代苯环为中心,OTV为侧链),其性能优于现在广泛应用的聚噻吩。
3、我们将噻吩并[3,2-b]噻吩和它的类似物以及拉电子(-NO2)和／或推电子取代基(-OCH3)分别引入OTV来调节母体分子的电子和光谱性质,在理论上确定了进一步增加吸收光谱范围的有效方式以及获得高性能的太阳能电池给体材料。我们也研究了所有分子的电荷传输性能和稳定性。计算结果表明,噻吩并[3,2-b]噻吩及其类似物作为中心对分子的前线轨道能级、能隙和吸收光谱的影响较小。与母体分子相比,含有-NO2和／或-OCH3取代基的OTV衍生物的吸收光谱发生了明显的红移。根据重组能数据,1,4-双氢吡咯并[3,2-b]吡咯为中心以及-NO2取代基都可以提高OTV衍生物的电荷传输性能。所有分子都可以作为双极性电荷传输材料。含有-NO2取代基的分子具有较高的稳定性。
4、考虑到太阳能电池给体材料的前线分子轨道能级要与受体材料的前线分子轨道能级匹配,所以我们选择典型的富勒烯衍生物作为受体材料,利用三苯胺(TPA)、4,7-双噻吩基苯并[c][1,2,5]噻重氮(DBT)和五聚噻吩(5Th)三个构筑单元设计构建前线分子轨道适合、宽光谱强吸收、高且平衡的电荷传输以及良好稳定性的新型给体分子来提高太阳能电池的效率。采用已确定的理论计算方法和基组,预测了其电子性质、光谱性质、电荷传输性能。计算结果表明,TPA(DBT-TPA-5Th)作为中心会使分子的HOMO能级降低、LUMO能级升高以及能隙增大(与DBT和5Th相比)。DBT(TPA-DBT-5Th)为中心的分子的吸收光谱范围最大(与TPA和5Th相比)。我们在母体分子TPA-DBT-5Th中引入不同连接方式(乙烯、乙炔和苯基)和拉-电子取代基(-NO2和-CN)来调节其电子和光谱性质。乙烯和乙炔作为连接桥是降低能隙、增加吸收光谱范围和强度更为有效的手段。而-NO2和-CN取代基会使母体分子的HOMO和LUMO能级降低,吸收光谱强度增大。重组能结果表明,含有不同连接方式和拉-电子取代基的分子的电荷传输性能优于与母体分子的电荷传输性能。研究结果表明,通过有效的化学修饰,大部分分子可以与典型的受体材料匹配。