理論研究共軛聚合物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)及有機導體和有機太陽能電池材料的分子模擬

【摘要】：本論文采用密度泛函理論研究了近年來倍受關注的共軛聚合物,并通過對它們的單體、低聚物和聚合物結(jié)構(gòu)的計算,詳細討論了聚合物作為導電材料和太陽能電池材料的潛在可能性。另外,文章還分析了不同單元的比例對計算結(jié)果的影響。主要內(nèi)容如下： 第一節(jié)首先介紹了有機導電聚合物研究現(xiàn)狀、導電機理以及設計。導電聚合物由于具有良好的導電性能和獨特的光學特性,已經(jīng)引起了廣泛的關注。其次介紹了有機太陽能電池的發(fā)展情況和工作原理。另外,還介紹了本文所做的工作及其意義。 第二節(jié)詳細介紹了本論文所用的計算方法即密度泛函理論(DFT)。同時還介紹了幾種重要的理論分析手段和方法：分子中的原子(AIM)理論,自然成鍵軌道(NBO)分析,核獨立化學位移(NICS)分析和含時密度泛函理論(TD-DFT)。 第三節(jié)使用密度泛函理論,在B3LYP/6-31G(d)水平下,對基于二苯噻吩的供體-受體低聚物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進行了計算。文中二苯噻吩(DBT)為電子供體,thieno[3,4-b]pyrazine (TP), thieno[3,4-b]thiadiazole (TD),通[1,2,5]thiadiazolo[3,4-e]thieno[3,4-b]pyrazine (TTP)為電子受體。并在同一理論水平下對它們周期聚合物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進行了研究。另外,通過分子橋鍵鍵長、成環(huán)臨界點的電荷密度和核獨立化學位移來分析其導電性。核獨立化學位移顯示：分子的聚合程度隨著鏈的加長而增強。在本論文中也考慮了供體受體比例(D-A比例)的影響,結(jié)果表明：D-A比例為1：2的導電能力比1：1的好。此外,文中還討論了重組能和能帶結(jié)構(gòu)。(BTDDBT)n和(BTPDDBT)n擁有很小的重組能(分別為0.163eV和0.152eV)和很低的帶隙(分別為0.73eV和0.56eV),因此,是良好的潛在導電材料。第四節(jié)將3,4-次乙烯二氧噻吩(VDOT)與thieno[3,4-b]pyrazine(TP), furo[3,4-b]pyrazine(FP)和6H-Pyrrolo[3,4-bpyrazine(PP)組合,獲得了一系列3,4-次乙烯二氧噻吩衍生物。采用密度泛函理論對其單體、低聚物和聚合物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進行了深入研究。通過分析結(jié)構(gòu)的變化、中心鍵性質(zhì)以及核獨立化學位移后發(fā)現(xiàn)：隨著聚合度的增加物質(zhì)的共軛性也隨之增加。為了了解不同的VDOT與TP、FP、PP比例對電子性質(zhì)的影響,又對V-P比例為1：1、1：2和2：1時的計算結(jié)果進行了比較分析,結(jié)果表明,V-P比例為1：2化合物共軛性最好,而2：1時共軛性最差。由于1：2和2：1的二聚物電子傳輸重組能相對較小,說明其相應的聚合物可能為潛在的電子傳輸材料。同時,聚合物的能帶結(jié)構(gòu)顯示：V-P比例為1：1的聚合物(包括(VDOT-TP)n, (VDOT-FP)n和(VDOT-TP)n)具有相對低的帶隙和很寬的帶寬,因此可以做為潛在的導電材料。另外,(VDOT-BTP)n和(VDOT-BFP)n有著非常低的帶隙(分別為0.73和0.87 eV),且擁有合適的帶寬,也是良好的本征導電材料。 第五節(jié)設計了九種聚物做為太陽能電池的供體材料。這些聚合物的主體結(jié)構(gòu)是以苯二噻吩(BDP)為電子供體,2,1,3-benzothiadiazole(BT)為受體,然后再向其中并入比例為1：1和1：2的噻吩、呋喃和吡咯。文章分析了這些化合物在環(huán)境中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、吸收太陽光的能力和光伏性質(zhì)。結(jié)果表明：當BDPBT并入噻吩、呋喃和吡咯后,激子的產(chǎn)生和分離能力增強,吸收光譜中的最大吸收峰發(fā)生紅移,空穴和電子重組能降低。特別是(BDTBT-T2)n,當PC61BM作為電子受體材料時,與其他八個聚合物相比,它還具有相對高的開路電壓,因此,該聚合物可作為良好的混合異質(zhì)結(jié)太陽能電池材料。 【關鍵詞】：密度泛函理論 共軛聚合物 有機導電材料 有機太陽能電池材料
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第一節(jié) 前言9-21
• 1.1 有機導電聚合物9-12
• 1.2 幾種典型共軛聚合物的研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3 有機導電聚合物的設計13-14
• 1.4 有機太陽能電池材料14-16
• 1.5 課題的意義16-17
• 參考文獻17-21
• 第二節(jié) 基本理論21-37
• 2.1 密度泛函理論(DENSITY FUNCTIonAL THEORY,DFT)21-26
• 2.2 分子中的原子(AIM)理論26-28
• 2.3 自然鍵軌道理論(NAUTUAL BOND ORBITAL,NBO)28-29
• 2.4 電流密度與NICS29-31
• 2.5 含時密度泛函理論(TD-DFT)31-33
• 參考文獻33-37
• 第三節(jié) 基于二苯噻吩的新型供體-受體體系的理論研究37-51
• 3.1 引言37-38
• 3.2 計算方法38
• 3.3 結(jié)果與討論38-45
• 3.4 結(jié)論45-47
• 參考文獻47-51
• 第四節(jié) 理論分析3,4-次乙稀二氧噻吩衍生物的電子結(jié)構(gòu)51-65
• 4.1 引言51-52
• 4.2 計算方法52-53
• 4.3 結(jié)果與討論53-60
• 4.4 結(jié)論60-61
• 參考文獻61-65
• 第五節(jié) 基于苯二噻吩-苯并噻唑的聚合物作為太陽能電池供體材料的理論研究65-79
• 5.1 引言65-66
• 5.2 計算方法66-67
• 5.3 結(jié)果與討論67-72
• 5.4 結(jié)論72-73
• 參考文獻73-79
• 附錄79-81
• 已發(fā)表論文81-83
• 致謝83

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