多枝杈各向异性/同性体系的分子设计及其光伏性能理论研究

【摘要】：有机太阳能电池可以将太阳能转化为光能，是化学与材料领域的热点研究之一。大量已报道的小分子材料难以实现对可见光的全色吸收从而限制了基于小分子的太阳能电池的光电转换效率。为了探讨解决这一难题的方案，我们采用高迁移率片段为基本构筑单元，利用量子化学手段，深入地研究了分子拓扑结构、构筑单元组成、构象等因素对平面以及空间立体多枝杈有机小分子光物理性质的影响，并且考虑设计给体与常用受体间的匹配。发现分子整体各向异性/同性对分子光物理性质有重要影响，同时筛选出合适构型的分子，根据波谱调控原则，对筛选的分子进一步修饰以得到与相应的受体相匹配的优良给体材料。从而为全色吸收分子以及新型小分子有机太阳能电池给体材料设计提供理论依据。本论文的研究工作主要包括以下四方面： 1.以苯并二噻吩（BDT），齐聚噻吩，碳-碳单、双、三键连接桥为构筑单元，利用PBE0/6-31G(d)和TD-PBE0/6-31G(d)计算手段，设计并研究了系列具有不同拓扑构型（L-、V-、T-及X-型）的有机共轭分子。发现不同的分子片段、链接桥、以及分子整体的各向异性/同性间相互作用可以实现平面多枝杈分子全色吸收的本质。基于得到的结果，我们提出了一个构建优良太阳能电池给体分子的方案，即以BDT为分子中心，不同的高迁移率共轭片段为各向异性枝杈，利用三键连接桥构建多枝杈分子。分子的各向异性骨架有利于分子宽的吸收。BDT的对称取代位点（苯环以及并噻吩环上两个对称的取代位点）应该同时的使用近简并的枝杈取代。为了实现不同区域内分子宽而强的吸收，各枝杈与BDT间的化学势需要满足：苯环上的枝杈 BDT并噻吩环上的枝杈或并噻吩环上枝杈 BDT苯环上的枝杈。当得到筛选出合适的构筑片段后，通过适当的调节分子的各向异性可以进一步调控分子的光物理与电子性质。据此我们设计了分子e3-X，并研究其性质。e3-X具有相对低的HOMO、小的Eg、宽而强的吸收谱带、高的各向异性迁移率。从而证实了我们设计理念的合理性。基于e3-X和PCBM电池的最大的理论开路电压为1.64V。对称正向电子跃迁对应分子长波强的吸收，反对称负向电子跃迁对应中波的强吸收，而枝杈内部的电子跃迁能实现短波的吸收。 2.为了设计出理想的太阳能给体材料，针对具有多枝杈取代位点的富电子片段DF、多种富电子共轭桥BF、缺电子的片段AF，我们提出了利用双波段交盖的方法来实现分子在可见光区的宽而强吸收的设计思路。中心给体片段（DF-(BFi)n）可以提供短-中波段π-π*型宽而强的吸收峰。引入一定的强受体片段后，电子从DF-(BFi)n通过各向异性的桥迁移到受体片段AF上，从而实现中-长波段内宽而强的分子内电子转移型ICT吸收峰。根据这一设计理念，我们在DFT和TD-DFT的理论水平下设计出了具有宽而强的吸收性质、合适的轨道能级及高迁移率的平面(AF-BF1)2-DF-(BF2-AF)2型共轭分子(X1和X2)，它们都能与苝类（PDI）目标受体分子匹配，成为太阳电池高效率给体材料分子。 3.以N、Si为核，高迁移率齐聚噻吩为构筑单元，采用PBE0/6-31G(d)和TD-PBE0/6-31G(d)方法，设计并研究了系列具有不同拓扑构型的三维立体空间多枝分子。揭示分子拓扑结构、构筑单元组成、以及分子各向异性等对分子吸收光谱影响的本质。从枝杈向Si中心的电子跃迁可以实现分子长波的光谱吸收，各向异性枝杈分子具有更宽的光谱吸收。枝杈内部的π-π*跃迁可以实现中短波的宽而强的光谱吸收。因而理想的太阳能电池三维多枝杈分子类给体分子应该采用给电子能力的原子为中心并具有各向异性枝杈。 4.为了实现有机三维共轭分子宽而强的光谱吸收，我们提出构建具有分子内各向异性电荷转移的(AF-BF1)1-S-(BF2-AF)2型三维有机共轭分子（S为N、C或Si，BF为共轭桥，AF为受体单元）。分子的三维各向异性共轭分子骨架可提供多通道吸收方式实现宽而强的吸收，分子内各向异性电荷转移可进一步增宽和红移光谱，最终实现分子更宽更长的光谱吸收。根据这一设计理念，以N、苯并二噻吩-齐聚噻吩共轭片段，N取代的噻唑为构筑单元，设计出了具有高迁移率、宽而强的光谱吸收能力的类三苯胺分子。它们均能与目标受体分子PDI相匹配，作为太阳电池高效率给体材料分子。 【关键词】：太阳能电池 密度泛函 多枝杈分子
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O641.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 前言11-23
• 1.1 太阳能电池研究现状和发展趋势11
• 1.2 有机太阳能电池简介11-19
• 1.2.1 有机太阳能电池的工作原理11-13
• 1.2.2 太阳能电池的器件结构13-15
• 1.2.3 有几太阳能电池的性能参数15-16
• 1.2.4 、有机太阳能电池材料电池活性层材料16-17
• 1.2.5 、多枝杈小分子给体材料17-19
• 1.3 分子的各向异性19-20
• 1.4 本论文的研究意义及内容20-21
• 参考文献21-23
• 第二章 计算方法和光物理基本原理23-37
• 2.1 量子化学计算原理及方法23-33
• 2.1.0 Schr dinger 方程23-24
• 2.1.1 原子单位24
• 2.1.2 Born-Oppenheimer 近似24-25
• 2.1.3 分子轨道近似25-26
• 2.1.4 Hartree-Fock 自洽场算法26-28
• 2.1.5 密度泛函理论（DFT）28-30
• 2.1.6 基组30-31
• 2.1.7 含时密度泛函(TD-DFT)31-33
• 2.2 有机材料的光化学原理33-36
• 2.2.1 态的性质33
• 2.2.2 激发单重态和三重态33
• 2.2.3. 光物理去活化过程33-34
• 2.2.4. Franck－Condon 原理34-35
• 2.2.5 有机化合物的电子吸收光谱35-36
• 参考文献36-37
• 第三章 太阳能电池给体材料设计以及分子片段、连接桥、各向同性/异性对小分子光伏性能的调控37-67
• 3.1 引言37-38
• 3.2 计算方法38-41
• 3.2.1 计算方法38-40
• 3.2.2 晶体结构预测40
• 3.2.3 迁移率的计算40-41
• 3.3 结果与讨论41-61
• 3.3.1 构筑单元的选择 Linear-型和 V-型分子41-49
• 3.3.2 构筑单元的选择及分子各向同性/异性效应的研究 T-和 X-型分子49-57
• 3.3.3. e3-X 优良的太阳能电池给体材料57-61
• 3.4 结论61-63
• 参考文献63-67
• 第四章 有机太阳能电池给体材料设计方案：各向异性多枝杈分子内电荷转移型分子67-83
• 4.1 引言67-69
• 4.2 计算模型与方法69-70
• 4.2.1 计算方法69
• 4.2.2 受体片段的选择69-70
• 4.3 结果与讨论70-77
• 4.3.1 吸收性质70-74
• 4.3.2 受体材料与给体材料间的匹配74-76
• 4.3.3 重组能76-77
• 4.3.4 分子稳定性77
• 4.4 结论77-79
• 参考文献79-83
• 第五章 三维各向同性/异性的有机共轭小分子光伏性能的理论调控83-103
• 5.1 引言83
• 5.2 计算模型与方法83-84
• 5.3 结果与讨论84-100
• 5.3.1 向同性 Si、N 多枝杈分子84-91
• 5.3.2 各向异性多枝杈分子91-100
• 5.4 结论100-101
• 参考文献101-103
• 第六章 三维各向异性小分子类太阳能电池给体材料设计：类三苯胺分子103-113
• 6.1 引言103
• 6.2 计算方法103-104
• 6.3 结果与讨论104-109
• 6.3.1 吸收性质104-108
• 6.3.3 重组能108-109
• 6.4 结论109-110
• 参考文献110-113
• 致谢113-115
• 在学期间公开发表论文及著作情况115

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