有机太阳能电池供受体材料的分子设计和光伏性能研究

发布时间：2018-05-28 04:38

  本文选题：有机太阳能电池 + 活性层材料　； 参考：《西南大学》2017年硕士论文

【摘要】：太阳能作为目前最具发展潜力的清洁能源,有机太阳能电池作为它的主要应用者之一具有制备工艺简单、易加工、质量轻、成本低等优点,在人类生产、生活中占有重要地位。为了研究活性层中材料中分子结构,对有机太阳能电池器件的光电转换效率的影响,一系列新的材料分子(包括小分子受体材料和聚合物供体材料)在本文中被设计出来,就上述问题进行探讨。基于量子化学理论、密度泛函理论和含时密度泛函理论,我们研究了三种活性层材料的电学和光学性质。并通过马库斯转移理论和第一性原理,模拟了其各自的电荷转移性质,计算出各分子间的载流子迁移率。本文的主要目的是从理论上,定性地解释通过修饰分子结构改变材料分子的相关性质,为实验合成提供有效的设计策略和可靠的理论指导。主要内容包括:第一节:主要介绍有机太阳能电池的发展史和国内外发展现状、器件的组成结构及其工作原理、一些活性层材料的综述以及本文的选题意义。第二节:该章主要阐述了本文在计算过程中,主要用到的理论方法(密度泛函理论、含时密度泛函理论和马库斯理论)和计算手段。详细介绍了每个理论的原理,并列举了体系中所用的计算公式。此外,我们还简单介绍了有机太阳能电池光电转换效率的表征方式和影响各参数的主要因素。第三节:本章我们通过在A单元(TPD)引入不同的环状化合物(呋喃、噻吩和苯)和吸电子取代基(-OCH3、-F、-CN),设计了一系列不同的共轭D-A聚合物以研究取代基对聚合物太阳能电池性能的影响。设计这些分子的主要目的是为了回答以下两个问题:一是取代基是如何影响聚合物基态结构性质;二是取代基的引入对材料的电学、光学和电荷传输性质以及光伏性能有什么影响。为了解释这两个问题,我们利用密度泛函理论和含时密度泛函理论,对所有聚合物分子的相关性质进行模拟计算。根据计算结果,聚合物分子X2-3相对于其他分子而言,在电学和光学性质,以及电荷传输性能上具有明显的优势。本章节的设计思路和计算,为设计通过修饰D-A型聚合物供体材料分子的A单元以改善聚合物太阳能电池的光伏性能提供了理论依据。第四节:本章通过DFT-BMK/6-31G*和TDDFT-TPSSH/6-311G*分别从理论上验证了不同π桥构成的D-A型聚合物分子的电子结构和光学性质对有机太阳能电池的的光电转换效率的影响。对比T桥和Tz桥,PDPP2TzTDTP具有较低的HOMO能级,但在近红外区的光吸收较弱,这与实验报道的结果完全一致。为了进一步改善PDPP2TzTDTP的吸收性质,我们设计了两种新的聚合物分子PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F。计算结果表明,PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F的光学性质和电荷传输性质在PDPP2TzTDTP基础上得到了明显的改善,这说明PDPP2TzDTP-Me和PDPP2TzDTP-F可能具有更高的Jsc。但PDPP2TzDTP-Me的HOMO能级增加0.1 eV,这不利于Voc的提高;而PDPP2TzDTP-F的HOMO能级几乎不变,不会对Voc造成影响,且在一定程度上能够提高Voc值。所以,PDPP2TzDTP-F有望成为有机太阳能电池器件中具有发展前景的活性层供体材料。第五节:本章我们以强吸电子基团2-(1,1-二氰基亚甲基)绕丹宁(DCRD)作为A2单元,基于中心吸电子基团NDI(A1)和低聚噻吩(D)设计了一系列A2-D-A1-D-A2结构的π 共轭小分子低聚物。目的在于探究不同的π桥对整个分子材料性能的影响,并且进一步说明理想受体材料的标准。NDI-2T1DCRD—NDI-2T4DCRD的基态几何结构和光学吸收性质分别通过密度泛函理论和含时密度泛函理论模拟计算得到。为了进一步调整HOMO/LUMO能级,改善光学吸收性能以补偿供体材料的光学吸收,我们通过增加D-A低聚物的缺电子单元的吸电子能力以探究其对分子相关性质电学、光学和电荷传输性质的影响。并且通过第一性原理,我们较精确地预测了NDI-2T3DCRD在活性层的电子迁移率(5.71×10-3cm2V-1S-1)。此外,我们结合经典的供体材料分子—聚(3-己基噻吩)(P3HT),定性地模拟了活性层材料(P3HT/NDI-2T3Me和P3HT/NDI-2T3DCRD)的光学吸收性质。结果表明,A2-D-A1-D-A2型低聚物在可见光区和近红外区域的吸收刚好可以补偿P3HT的不足,这对有机太阳能电池中的短路电流(Jsc)的提高有着非常重大的影响。综上,通过调节基于NDI型低聚物受体中端基的吸电子能力,的确可以改善活性层材料分子的电荷传输性质,这对设计理想的供体材料是一种行之有效的方法。
[Abstract]:Based on quantum chemistry theory , density functional theory and time - density functional theory , we have studied the electrical and optical properties of three active layer materials . 浣嗗湪杩戠孩澶栧尯鐨勫厜鍚告敹杈冨急,杩欎笌瀹為獙鎶ラ亾鐨勭粨鏋滃畬鍏ㄤ竴鑷，

本文编号：1945339