有機(jī)聚合物太陽能電池中給體材料激發(fā)態(tài)性質(zhì)的理論研究

【摘要】：利用資源豐富、清潔綠色的太陽能實(shí)現(xiàn)光電能量轉(zhuǎn)換是目前世界各國解決能源危機(jī)和氣候變化等問題的有效途徑之一,同時(shí),有機(jī)聚合物太陽能電池因材料成本低廉、易于改性,以及器件工藝簡單、易于實(shí)現(xiàn)超薄、柔性、大面積等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。一方面,有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料(給體和受體)是實(shí)現(xiàn)光電能量轉(zhuǎn)化過程的重要載體,材料的結(jié)構(gòu)決定光電轉(zhuǎn)換的本質(zhì)和效率,特別是性能優(yōu)異的給體材料亟待豐富和發(fā)展。另一方面,激發(fā)態(tài)是光電轉(zhuǎn)換過程的關(guān)鍵中間態(tài),因此激發(fā)態(tài)性質(zhì)的調(diào)控是提高有機(jī)聚合物太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段。通常,電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)具有吸收譜帶寬、壽命較長以及激子束縛能較小等特點(diǎn),導(dǎo)致激子在異質(zhì)結(jié)界面處容易解離,有利于進(jìn)一步的電荷分離,提高光電轉(zhuǎn)換效率。因此,細(xì)致研究有機(jī)聚合物太陽能電池中給體材料的電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)的性質(zhì),建立分子結(jié)構(gòu)與激發(fā)態(tài)特征之間的相關(guān)關(guān)系,達(dá)到通過調(diào)節(jié)和控制激發(fā)態(tài)特征來優(yōu)化材料結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的目的。本論文選取有機(jī)聚合物太陽能電池的給受體型共軛低聚物為研究對象,采用長程校正的密度泛函方法系統(tǒng)研究了給受體型共軛低聚物隨重復(fù)單元數(shù)目增多激發(fā)態(tài)性質(zhì)的變化規(guī)律,具體包括基態(tài)和激發(fā)態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及吸收光譜性質(zhì)和激發(fā)態(tài)躍遷特征、能級結(jié)構(gòu)等,獲得不同光電轉(zhuǎn)換效率的合理解釋。本論文的主要內(nèi)容包括:第一章簡要介紹有機(jī)聚合物太陽能電池的發(fā)展歷程、基本原理、器件結(jié)構(gòu)、活性層材料以及提高能量轉(zhuǎn)換效率的方法。第二章概括介紹本研究中所涉及的量子力學(xué)理論基礎(chǔ)和主要參數(shù)的計(jì)算原理(如分子軌道理論、密度泛函理論),重點(diǎn)介紹適用于電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)性質(zhì)研究的長程校正密度泛函方法。第三章為給受體型共軛低聚物的計(jì)算模擬過程與相關(guān)結(jié)果。我們選取給體為苯并二噻吩(BDT)、咔唑聯(lián)噻吩鍺(DTG),受體為苯并噻二唑(BT)、吡啶并噻二唑(PT)、苯并三氮唑(BTz)的聚合物(PBDT-BT、PDTG-BT、PDTG-PT和PDTG-BTz)為研究體系。(1)用B3LYP/6-31G(d,p)方法優(yōu)化了以上不同重復(fù)單元數(shù)的四種低聚物(n=1-4)的基態(tài)幾何結(jié)構(gòu),揭示不同強(qiáng)度的受體對基態(tài)電子結(jié)構(gòu)的影響。進(jìn)一步通過四聚物分子的扭轉(zhuǎn)角以及特征長度1/ω來研究分子體系的共軛程度,可以預(yù)測給受體之間的耦合程度、電子躍遷均會受到電子給受體的強(qiáng)度以及電子給受體之間的扭轉(zhuǎn)角大小的影響。(2)通過對D-A低聚物前線軌道的計(jì)算,前線軌道的能量和鏈長倒數(shù)之間的關(guān)系,考察給受體強(qiáng)度影響聚合物HOMO-LUMO能隙大小的規(guī)律。(3)選用調(diào)諧區(qū)間分離參數(shù)的長程校正泛函對低聚物的激發(fā)態(tài)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算。發(fā)現(xiàn)重復(fù)單元數(shù)目及電子給受體的強(qiáng)度影響低聚物的吸收光譜性質(zhì)的變化,以及激發(fā)態(tài)電子躍遷特征的變化。我們分別計(jì)算了最低的10個(gè)單線激發(fā)態(tài)和最低的15個(gè)三線激發(fā)態(tài)的能量和自然躍遷軌道,檢查激發(fā)態(tài)能級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通過系間竄越消耗單線態(tài)激子能量的可能途徑。通過對比分析,解釋實(shí)驗(yàn)中各聚合物體系作為太陽能電池的活性層實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率顯著差異的本質(zhì)。第四章為結(jié)論部分,本論文的主要結(jié)論包括:(1)發(fā)現(xiàn)基于DTG的低聚物具有更長的特征長度1/ω和幾乎完全平面的共軛骨架。前線軌道的能量和鏈長倒數(shù)成線性關(guān)系,軌道能量的穩(wěn)定性與相應(yīng)給受體強(qiáng)度有關(guān)。同樣的給體在與更強(qiáng)的受體連接時(shí)使得低聚物有更小的能隙值,因此共聚單體的選擇在決定前線軌道的分布以及聚合物的性質(zhì)上是非常關(guān)鍵的。(2)通過對比發(fā)現(xiàn),在受體強(qiáng)度更大的低聚物PDTG-BT和PDTG-PT體系中,大量的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)出現(xiàn)在單線激發(fā)態(tài)中,而三線態(tài)中幾乎沒有電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。這種激發(fā)態(tài)能級結(jié)構(gòu)能夠避免單線態(tài)和三線態(tài)之間由于系間竄越而造成的能量損失,更有利于大量弱束縛的CT態(tài)為太陽能電池的活性層提供電荷有效分離的重要前體。(3)發(fā)現(xiàn)在PDTG-PT體系中,隨著低聚物長度的增加,單線激發(fā)態(tài)中電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的數(shù)量隨著重復(fù)單元的增加而增加,電荷轉(zhuǎn)移態(tài)所在的能級從高能級逐漸向低能級變化。而三線激發(fā)態(tài)中的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的數(shù)量隨著重復(fù)單元的增加而減少,電荷轉(zhuǎn)移態(tài)所在的能級始終保持為高能級。這樣,可以減輕單線態(tài)和三線態(tài)之間由于系間竄越而造成的能量損失。因此在分子鏈長趨向無限的聚合物中(分子量越高),弱束縛的CT態(tài)將會移動到最低的單線激發(fā)態(tài),促進(jìn)激子異質(zhì)結(jié)界面解離,增加光電轉(zhuǎn)換效率。以上理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的聚合物PDTG-PT具有更高的太陽能電池效率是相當(dāng)吻合的,為設(shè)計(jì)合成新型的高效率有機(jī)聚合物太陽能電池給體材料提供了理論指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：共軛聚合物 分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài) 密度泛函理論 激發(fā)態(tài)能量
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O631;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-26
• 1.1 引言11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 有機(jī)太陽能電池12-13
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展歷程13-14
• 1.3 有機(jī)太陽能電池的基本原理14-16
• 1.4 有機(jī)太陽能電池的性能參數(shù)16-18
• 1.5 有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)18-22
• 1.6 有機(jī)太陽能電池的材料22-25
• 1.7 本論文的研究內(nèi)容25-26
• 第2章 量子化學(xué)理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法26-38
• 2.1 分子軌道理論（MO理論）26-28
• 2.2 電子相關(guān)問題28-29
• 2.3 密度泛函理論（DFT）29-30
• 2.4 長程校正密度泛函30-38
• 第3章 有機(jī)聚合物太陽能電池中給體材料激發(fā)態(tài)性質(zhì)的理論研究38-64
• 3.1 引言38-40
• 3.2 理論計(jì)算方法40-42
• 3.3 結(jié)果與討論42-64
• 3.3.1 給體和受體單元的電子結(jié)構(gòu)42-44
• 3.3.2 D-A低聚物的共軛程度44-46
• 3.3.3 D-A低聚物基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)及前線軌道46-50
• 3.3.4 D-A低聚物激發(fā)態(tài)躍遷能和振子強(qiáng)度50-51
• 3.3.5 D-A低聚物的吸收光譜特征51-53
• 3.3.6 D-A低聚物的激發(fā)態(tài)躍遷特征53-64
• 第4章 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-74
• 作者簡介74-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間的科研成果75-76
• 致謝76

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來了解更多相關(guān)內(nèi)容

含氮給體引發(fā)劑的結(jié)構(gòu)效應(yīng)    王棟一,曹維孝,馮新德

可溶液加工給體-受體有機(jī)小分子太陽能電池材料研究進(jìn)展    李在房;彭強(qiáng);和平;王艷玲;侯秋飛;李本林;田文晶;

聚合物太陽能電池給體材料研究進(jìn)展    侯憲冰;馬曉燕;朱小波;

    

不同受體單元對基于三苯胺小分子給體材料的影響    王逸凡;白會濤;占肖衛(wèi);

用于聚合物太陽電池的平面型給體聚合物材料    薄志山;

聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中給體材料表面能調(diào)控及其光電性能研究    孫瑩;林保平;

高效率的寬帶隙聚合物給體材料的設(shè)計(jì)合成與光伏性能研究    薄志山;李翠紅;李光武;危和狄;

新型吡咯并吡咯并吡咯二酮純有機(jī)染料的合成及其光伏性能的研究    臧旭峰

含烯鍵和炔鍵的有機(jī)小分子給體材料的設(shè)計(jì)、合成及其在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用    王歷平

有機(jī)小分子太陽能電池給體材料的合成與性質(zhì)研究    孫世新

聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池：給體材料的設(shè)計(jì)、合成及性質(zhì)    李耀文

ET類正組元導(dǎo)電分子晶體及相關(guān)負(fù)離子工程    陳紅余

新型窄帶隙聚合物太陽電池給體材料的設(shè)計(jì)合成與應(yīng)用    王明

以二芴基芳胺為端基的小分子給體材料的合成與光伏性能研究    夏炎

苯并二硒吩聚合物和芳香雜環(huán)并吡嗪聚合物給體材料的合成及在太陽能電池中的應(yīng)用    徐忠杰

新型氟代太陽能電池給體材料的合成及性能研究    繳春明

混合給體有機(jī)小分子光伏器件性能的研究    鄧鳴

基于噻吩—苯—噻吩給體結(jié)構(gòu)單元的共軛聚合物的合成及光伏性能    候榮彥

基于苯并二噻吩和三苯胺單元的D-A型有機(jī)給體材料的合成及光伏性能研究    宿文燕

具有寬吸收譜的氟取代四元聚合物給體材料的合成及光伏性能研究    喬宗華

新型聚合物太陽能電池給體材料的制備與光電性能研究    張超

小分子太陽能電池給體材料的合成及其高性能光伏應(yīng)用的研究    武卓

基于引達(dá)省的小分子太陽能電池給體材料的設(shè)計(jì)、合成與光伏性能的研究    肖飛