幾種有機太陽能電池供體材料的光伏性能

【摘要】：有機太陽能電池由于具有諸多潛在的優(yōu)勢成為了太陽能開發(fā)與利用研究領(lǐng)域的熱點,比如,低成本、重量輕、容易加工及制備工藝簡單等。本文設(shè)計了一系列聚合物和共軛小分子供體材料,采用密度泛函理論及含時密度泛函理論研究了聚合物及共軛小分子供體中缺電子或富電子基團對其電子和光學(xué)吸收性質(zhì)的影響,并探索了供體材料在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中的性能表現(xiàn)。計算結(jié)果表明,合理的調(diào)節(jié)聚合物及小分子供體中富電子或缺電子基團強度能夠有效的增強供體材料的電子性質(zhì)及拓寬光學(xué)吸收范圍,并提高了供體材料在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中的性能。本文通過對供體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及影響有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率因素的探索,以提供有效的供體材料分子設(shè)計策略,從而為實驗設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。本文的主要內(nèi)容如下：第一章主要介紹了有機太陽能電池的發(fā)展?fàn)顩r、工作過程,有機太陽能電池中聚合物和共軛小分子供體材料的研究進展,及有機太陽能電池研究領(lǐng)域存在的一些基本問題。第二章簡單介紹了本文用到的理論計算方法,密度泛函理論和含時密度泛函理論,包括基本的原理及常用的方法。另外還簡要介紹了Marcus方程在電子轉(zhuǎn)移研究中的相關(guān)應(yīng)用,有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中的一些理論特征。在第三章中,基于吡咯并吡咯二酮-噻吩并[3,2-b]噻吩的兩種聚合物供體DPPTT-T和DPPTT-S作為例子,我們采用密度泛函理論、含時密度泛函理論和Marcus理論系統(tǒng)地研究了聚合物供體材料的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和光學(xué)吸收、及在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中的理論特征。在有機太陽能電池中,聚合物DPPTT-T作為供體的有機太陽能電池具有更大的短路電流,因此比DPPTT-S作為供體的電池表現(xiàn)出更高的光電轉(zhuǎn)化效率。計算結(jié)果顯示可能是DPPTT-T聚合物在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中具有更快的電子轉(zhuǎn)移速率。在供受體界面電子轉(zhuǎn)移性能上,聚合物供體與受體PC61BM之間的排列方式對電子轉(zhuǎn)移和電荷重組速率有著重要的影響。在聚合物單體的空穴傳輸性能方面,研究結(jié)果表明縮小分子之間ππ堆積距離并增加相鄰分子的π共軛環(huán)投影重疊程度是提高空穴遷移率有效的方法。本章對聚合物的性質(zhì)及在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化中理論特征的研究,將會對供體材料的設(shè)計與篩選提供可靠的理論依據(jù)。在聚合物供體中引入強缺電子基能有效的調(diào)控供體的電子性質(zhì)和光學(xué)吸收。在第四章中,我們在富電子供體-缺電子受體(D-A)型聚合物鏈中缺電子基團上引入強的缺電子氟和氰基,并研究了聚合物的電子性質(zhì)、光學(xué)吸收及在有機太陽能電池中的性能。研究結(jié)果表明,在聚合物鏈上引入強的缺電子基團(氟和氰基)不僅能夠明顯的降低分子的前線分子軌道能量、提高有機太陽能電池的開路電壓,還能提高聚合物供體的光學(xué)吸收及空穴傳輸性能。另外,在本章研究的所有體系中,氰基取代的兩種聚合物PCPDT-1CNB和PDTPr-1CNBT表現(xiàn)出比較優(yōu)異的性能,比如,具有最小的能隙、低的最高占據(jù)軌道(HOMO)能級、高的開路電壓,良好的空穴傳輸性能(空穴遷移率分別是3.67×10-3 cm2V-1s-1和8.05×10-4 cm2V-1s-1),當(dāng)作為供體材料,在有機太陽能電池中預(yù)測的光電轉(zhuǎn)化效率分別達到了～7.2%和～6.8%?？梢娫诰酆衔镦溕弦霃姷奈娮踊鶊F,是一種獲取潛在聚合物供體材料很有效的方法,以提高有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)效率。在第五章中,通過調(diào)節(jié)D-A聚合物中缺電子部分的強度,企圖實現(xiàn)有機太陽能電池的光伏性能的提高。為了實現(xiàn)這一目的,基于富電子的碳-、硅-及氮-橋連二噻吩和缺電子的噻吩并[3,4-C]吡咯-4,6-二酮(TPD)共聚的三種供體材料PCPDTTPD(Pal). PDTSTPD (Pa2)和PDTPTPD (Pa3),我們采用更強的富電子基團噻吩并[3,4-C]噻吩-4,6-二酮(thieno[3,4-c]thiophene-1,3-dione, TTD)和噻吩并[3,4-C]呋喃-4,6-二酮(thieno[3,4-c]furan-1,3-dione, TFD)分別替代了TPD,設(shè)計了新的D-A聚合物Pb1-Pb3和Pc1-Pc3系列。相應(yīng)的與聚合物Pa1-Pa3作對比,設(shè)計的聚合物Pb1-Pb3和Pc1-Pc3均表現(xiàn)出更好的性能,比如,更小的能隙、更低的HOMO能級、更寬的光學(xué)吸收范圍及更高的空穴遷移率。設(shè)計的聚合物作為供體材料,在有機太陽能電池中預(yù)測的光電轉(zhuǎn)化效率最高達到了約10.0%。研究結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)D-A聚合物中缺電子基團的強度是一種改變聚合物供體固有性質(zhì)的有效途徑,以實現(xiàn)有機太陽電池光伏性能的提高。在第四章和第五章中,我們探討的是D-A聚合物中引入強缺電子基團或者調(diào)節(jié)缺電子基強度對聚合物供體電子和光學(xué)吸收性質(zhì)的影響。在第六章中,我們通過調(diào)節(jié)D-A聚合物中富電子單元的強度,研究的是富電子基團對D-A聚合物結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和光學(xué)吸收的影響,及在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中的性能表現(xiàn)?；谝幌盗懈咝У腄-A聚合物PCPDTBT(Pcl)、PCPDTFBT (Pc2)和PCPDTDFBT (Pc3),分別由富電子單元環(huán)戊二噻吩(cyclopentadithiophene, CPDT)和不同的缺電子單元苯并噻二唑(2,1,3-benzothiadiazole, BT)及氟化的BT構(gòu)成。我們采用一種富電子基團dithienogermolodithiophene (DTTG)分別替換了Pc1-Pc3中的CPDT部分,設(shè)計了一系列新的聚合物Pd1-Pd3。對比研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),設(shè)計的聚合物Pd1-Pd3相比于Pc1-Pc3,不僅能夠產(chǎn)生更紅移的吸收波長與太陽發(fā)射光譜有更大的重疊,在供受體界面還表現(xiàn)出更高的電子轉(zhuǎn)移速率、及供體材料具有更高的空穴傳輸性能。另外,設(shè)計的聚合物作為供體的有機太陽能電池,預(yù)測的光電轉(zhuǎn)化效率最高達到了-8.4%。本章研究結(jié)果表明,在聚合物供體材料分子設(shè)計中,調(diào)節(jié)D-A聚合物中富電子基團的強度將會是另一種可行的方法,以獲取潛在的D-A聚合物供體材料,從而提高有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。基于共軛小分子的有機太陽能電池在光電轉(zhuǎn)化效率上雖然落后于聚合物有機太陽能電池,但是,相比于聚合物供體材料,共軛小分子供體在有機太陽能電池器件中表現(xiàn)出更多的潛在優(yōu)勢逐漸引起了人們的關(guān)注,比如,可自定義的分子結(jié)構(gòu)、容易純化、可調(diào)的電子性質(zhì)、高的載流子遷移率及可重現(xiàn)的成批生產(chǎn)等。以吡咯并吡咯二酮吸電子基團構(gòu)建的受體-供體-受體(A-D-A)型共軛小分子成功的被應(yīng)用于有機太陽能電池,并表現(xiàn)出良好的光伏性能。在第七章中,以吡咯并吡咯二酮為缺電子的受體和苯為富電子的給體構(gòu)建的A-D-A小分子SM1,我們采用不同強度的缺電子基團替代SM1中的富電子的苯環(huán),設(shè)計了四種新的小分子供體,以調(diào)節(jié)小分子供體的電子性質(zhì)及光學(xué)吸收性能。本章的主要目的是為了探索小分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)在有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化過程中所扮演的角色,提出小分子供體材料的分子設(shè)計策略。研究結(jié)果表明,在我們設(shè)計的實驗中,共軛小分子SM2-SM5表現(xiàn)出更低的HOMO級、更窄的能隙、更大的光學(xué)吸收范圍、在供受體界面具有更好的電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)及更高的空穴遷移率。另外,對于小分子供體,降低的HOMO能級和減小的激發(fā)能在有機太陽電池應(yīng)用中對開路電壓、短路電流及填充因子的提高具有重要的作用。本章的研究結(jié)果證明了以缺電子基團替代A-D-A小分子供體中富電子單元的分子設(shè)計策略的可行性,可用于小分子供體材料的分子設(shè)計,并應(yīng)用于高光電轉(zhuǎn)化效率的有機太陽能電池。 【關(guān)鍵詞】：有機太陽能電池 聚合物供體 共軛小分子 電子轉(zhuǎn)移 電荷遷移率
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 有機太陽能電池國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2 有機太陽能電池中的光伏材料16-18
• 1.2.1 聚合物供體材料16-17
• 1.2.2 小分子供體材料17-18
• 1.2.3 電子受體材料18
• 1.3 有機太陽能電池領(lǐng)域目前存在的基本問題18-19
• 1.4 本文的結(jié)構(gòu)及研究內(nèi)容19-21
• 參考文獻21-28
• 第二章 理論部分28-42
• 2.1 密度泛函理論(Density Functional Theory)28-32
• 2.1.1 基本原理28-31
• 2.1.2 常用的一些密度泛函方法31-32
• 2.2 含時密度泛函理論(Time-dependent Density Functional Theory)32-33
• 2.3 Marcus電子轉(zhuǎn)移方程33-34
• 2.4 電荷遷移率34-35
• 2.5 有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率35-37
• 參考文獻37-42
• 第三章 基于吡咯并吡咯二酮-噻吩并[3,2-b]噻吩共聚物作為供體的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化特征42-58
• 3.1 引言42-43
• 3.2 計算方法43-44
• 3.3 結(jié)果與討論44-53
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)及電子性質(zhì)44
• 3.3.2 光學(xué)吸收44-47
• 3.3.3 激子傳輸及激子束縛能47-48
• 3.3.4 激子的分離與電荷重組速率48-50
• 3.3.5 電荷遷移率50-53
• 3.4 結(jié)論53-54
• 參考文獻54-58
• 第四章 關(guān)于氟和氰基化的共聚物在有機太陽能電池中提高光伏性能的理論研究58-82
• 4.1 引言58-60
• 4.2 計算方法60-61
• 4.3 結(jié)果與討論61-74
• 4.3.1 前線分子軌道能量及能隙61-62
• 4.3.2 分子設(shè)計及基態(tài)性質(zhì)62-66
• 4.3.3 聚合物供體在有機太陽能中的性能特征66-72
• 4.3.4 光電轉(zhuǎn)化效率72-74
• 4.4 結(jié)論74-75
• 參考文獻75-82
• 第五章 基于C-,Si及N-橋連二噻吩和噻吩并[3,4-C]吡咯-4,6-二酮衍生物共聚的聚合物分子設(shè)計及其在有機太陽能電池中的應(yīng)用82-100
• 5.1 引言82-83
• 5.2 計算方法83-84
• 5.3 結(jié)果與討論84-93
• 5.3.1 前線分子軌道能級及能隙84-85
• 5.3.2 聚合物供體的分子設(shè)計85-88
• 5.3.3 光學(xué)性質(zhì)88-91
• 5.3.4 空穴傳輸性質(zhì)91-92
• 5.3.5 光伏性能92-93
• 5.4 結(jié)論93-94
• 參考文獻94-100
• 第六章 一種通過調(diào)控供-受體共聚物中富電子基團以提高有機光伏性能的策略100-124
• 6.1 引言100-102
• 6.2 計算方法102-104
• 6.3 結(jié)果與討論104-116
• 6.3.1 分子設(shè)計及分子結(jié)構(gòu)104-105
• 6.3.2 電子結(jié)構(gòu)105-108
• 6.3.3 光學(xué)吸收性能108-111
• 6.3.4 供體在電子轉(zhuǎn)移中的性能111-113
• 6.3.5 供體的空穴傳輸性能113-114
• 6.3.6 太陽能電池性能114-116
• 6.4 結(jié)論116-117
• 參考文獻117-124
• 第七章 基于端位吡咯并吡咯二酮和不同核心基團的小分子供體設(shè)計及光伏性能124-144
• 7.1 引言124-125
• 7.2 計算方法125-126
• 7.3 結(jié)果與討論126-137
• 7.3.1 分子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)126-129
• 7.3.2 光學(xué)吸收性能129-131
• 7.3.3 小分子供體在電子轉(zhuǎn)移中的性能131-133
• 7.3.4 小分子供體的空穴遷移率133-135
• 7.3.5 小分子供體在有機太陽能電池中的性能135-137
• 7.4 結(jié)論137-138
• 參考文獻138-144
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表和已完成的論文目錄144-146
• 致謝146

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