基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的D-A型共聚物第一性原理研究

发布时间：2017-10-18 22:34

  本文关键词：基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的D-A型共聚物第一性原理研究

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【摘要】：本体异质结有机太阳能电池是当前研究的重点,D-A型共聚物作为电池的电子给体材料近年来引起广泛关注。要进一步提高有机光伏电池的光电转换效率,D-A型共聚物活性层材料的设计和优化是关键的一步。本论文以苯并二噻吩(BDT)为电子给体单元,苯并噻二唑(BT)类为电子受体单元作为D-A共聚体;用噻吩环作为π桥,构造出D-π-A(PBDT-DTBX,X=O、S、Se、Te)结构。采用第一性原理密度泛函理论,系统地计算相应的电子结构和光吸收谱。并比较不同氧族元素及氮N原子在受体单元中的替换对聚合物光吸收谱的影响。(1)借助于计算软件VASP,对BDT的三种同分异构体进行模拟计算,其结果与实验值一致。即,能隙计算值为2.38eV、2.46eV、2.42eV,相应实验值为2.17eV、2.49eV、2.26eV。说明选择的计算方法是可行的。然后选择其中带隙较小的结构作为给体单元与不同的受体单元结合来进行活性层材料的构建和结构上的优化。(2)在D-A共聚体受体X位进行元素替换,计算表明,当以O、S、Se、Te替换时,其体系的HOMO能级变化不大,LUMO能级逐渐靠近费米能级,带隙逐渐减小。在可见光区有两个较强的吸收峰,随着X位元素原子序数增大,位于4.0eV左右的光吸收峰位基本不变,另一光吸收峰强度明显增大并发生红移。(3)本论文选择噻吩环作为π-键桥。计算表明,与D-A结构相比,D-π-A结构的带隙均有所减小,证明π-键桥可以增大聚合物结构的共轭性,减小空间位阻和拓宽吸收光谱。其中X为Te时带隙最小,光吸收峰强度随着氧族元素原子序数的增大也明显增大并发生红移。(4)为了进一步分析结构与吸收谱的关系,本论文分别计算了D-A聚合物和PBDT、PBT的吸收谱以及PBDT的态密度,结果表明,4.0eV左右的光吸收峰主要是BDT单元的贡献,氧族元素的改变主要影响519.4-703.9 nm范围的光吸收。(5)第四章模拟了受体上C原子被N原子替换后对材料性质的影响,计算结果表明,N原子的替换可以减小聚合物的结构带隙,拓宽吸收范围。本论文工作的结论可以为有机聚合物结构的优化提供有益参考。本工作部分结果已经以论文形式被物理学报接收(2016年第10期)。
【关键词】：密度泛函理论 太阳能电池 D-A 共聚物 D-π-A 共聚物
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 有机聚合物太阳能电池简介11-21
• 1.2.1 聚合物太阳能电池工作原理、结构及性能表征11-15
• 1.2.2 有机聚合物太阳能电池材料简介15-18
• 1.2.3 有机聚合物太阳能电池分子设计策略18-21
• 1.3 苯并二噻吩材料研究进展21-23
• 1.4 本论文研究内容和结构安排23-24
• 2 计算理论基础和计算方法24-34
• 2.1 计算物理学理论基础24
• 2.2 密度泛函理论（DFT）24-32
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理25-26
• 2.2.2 Kohn-Sham方程26-27
• 2.2.3 DFT计算的基本要素27-32
• 2.3 计算相关软件32-34
• 2.3.1 VASP计算软件包32-33
• 2.3.2 计算使用的其他软件33-34
• 3 计算结果与讨论34-49
• 3.1 D-A结构简介34-35
• 3.2 苯并二噻吩第一性原理计算35-36
• 3.3 D-A和D-π-A聚合物的第一性原理研究36-47
• 3.3.1 氧族元素和π-键桥对D-A和D-π-A聚合物能带的影响37-39
• 3.3.2 氧族元素和π-键桥对D-A和D-π-A聚合物态密度的影响39-42
• 3.3.3 氧族元素和π-键桥对D-A和D-π-A聚合物结构光学性质的影响42-47
• 3.4 计算参数47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 N原子对聚合物性能影响的第一性原理研究49-56
• 4.1 N原子对D-A聚合物能带的影响49-51
• 4.2 N原子对D-A聚合物态密度的影响51-53
• 4.3 N原子对D-A聚合物结构光学性质的影响53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 结论56-58
• 参考文献58-63
• 个人简历与论文发表情况63-64
• 致谢64

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本文编号：1057535