苯并噻吩及吩噻嗪衍生物的结构和光电性能

发布时间：2020-08-14 17:00

【摘要】：现代社会,能源紧缺和环境污染已经成为威胁着人类生存的重大问题。太阳能是真正的清洁能源,并且储量丰富。有机太阳能电池具有制造工艺简单、成本低廉,长期可持续等优点。目前,有机聚合物太阳能电池的光电转换效率已经达到10%以上,所以研究开发光电转换效率更高的聚合物太阳能电池具有非常重大的意义。本文的工作是针对苯并噻吩衍生物(TIB)及吩噻嗪衍生物(P1TZ-1)两种聚合物分子的结构和光电性能开展理论研究。首先用氧、氮、磷、硅和硒原子替代了 TIB分子两侧对称位置和P1TZ-1分子受体部分的4个硫原子形成了两组设计分子;其次在P1TZ-1分子的受体部分引入并噻吩、三噻吩和四噻吩,再用高性能聚合物分子的受体部分直接替换P1TZ-1分子的受体部分,形成了第3组设计分子。利用密度泛函DFT对TIB和P1TZ-1分子及其设计分子的结构和光电转换性能的各项参数进行理论模拟,包括基态几何结构、荧光光谱、电荷转移和重组速率等。结果显示,TIB-P和TIB-Si的能隙均小于TIB分子,吸收光谱红移并且荧光寿命变大;P1TZ-a、P1TZ-c、P1TZ-P 和 P1TZ-Si 较 P1TZ-1 分子相比,HOMO 能级较大,LUMO能级较小,吸收光谱红移,电离能较小,电子亲和势较大。说明TIB-P、TIB-Si、P1TZ-a、P1TZ-c、PITZ-P和PITZ-Si分子较原分子能更好的吸收和利用太阳光,表明适当的引入多噻吩结构和原子替代,会对TIB和P1TZ-1分子的光电性能产生积极的影响。通过比对TIB和P1TZ-1及其设计分子的性能参数,可以为实验上合成新的聚合物分子提供思路及理论依据。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TM914.4
【图文】：

器件结构,反向器,叠层,太阳能电池

供体逦受体逡逑图１－３有机聚合物太阳能电池基本原理图逡逑聚合物太阳能电池是一种利用有机聚合物为光敏层材料制备的太阳能电池，具有半逡逑导体太阳能电池的部分特性［８］。聚合物太阳能电池的基本原理图如图１－３所示。聚合物逡逑太阳能电池的工作过程主要由四个部分组成：（ａ）光子吸收：聚合物从太阳光中吸收能逡逑量后，其中的电子从最高占据分子轨道（ｈｉｇｈｅｓｔ邋ｏｃｃｕｐｉｅｄ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｏｒｂｉｔａｌ，ＨＯＭＯ）跃逡逑迁到最低未占据分子轨道（丨ｏｗｅｓｔ邋ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｏｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ），电子从逡逑ＨＯＭＯ能级跃迁后，受库仑力的作用，正、负电荷被聚集在一起形成电子－空穴对（激逡逑子）。（ｂ）激子扩散：激子必须扩散到供体－受体交界面时才能发生有效的分离，但是激逡逑２逡逑

太阳能电池,有机聚合物,光敏层,材料制备

逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１－２邋（ａ）正向器件结构（ｂ）反向器件结构（ｃ）叠层器件结构逡逑聚合物太阳能电池主要分为三种：１．正向常规太阳能电池，如图１－２邋（ａ）所示［７］，逡逑它是以氧化铟锡（ＩＴＯ）和导电玻璃为阳极，铝（Ａ１）为阴极，以及厚度为１００邋ｎｍ的薄逡逑膜组成。在正向常规太阳能电池中，ＰＥＤＯＴ：邋ＰＳＳ的主要效果是修饰阳极，而阴极修饰逡逑材料主要为无机金属氧化物，例如：氧化锌（ＺｎＯ）和氧化钛（ＴｉＯｘ）。正向常规太阳逡逑能电池具有制备简单的优点，但其稳定性较差；２．反向器件太阳能电池，如图１－２邋（ｂ）逡逑所示，阴极为［ＴＯ，阳极用三氧化钼（Ｍ0０３）代替了正向常规太阳能电池中的逡逑ＰＥＤＯＴ：邋ＰＳＳ。反向器件太阳能电池具有性能稳定，工作寿命长的优点；３．叠层太阳能逡逑电池

分子结构图,分子,分子结构,结构参数

ＺＣ１３－Ｃ１４－Ｃ１５－Ｃ１６逦２４．０３５１８逦２４．１１９４２逦２４．１８８６０逦２４．６９５２５逦２４．２６６０９逦２４．３７３２８逡逑ＺＣ１７－Ｃ１８－Ｃ１９－Ｓ２０逦５６．３１００６逦５６．２６６３９逦５６．３９１２８逦５６．３６３１０逦５６．３２５８９逦５６．３３４１０逡逑ＴＩＢ分子及其设计分子的分子结构图如图３－丨所示。利用ＤＦＴ／邋Ｂ３ＬＹＰ／６－３１Ｇ邋（ｄ）逡逑的方法，对ＴＩＢ分子及其设计分子进行了结构优化，并将基本的结构参数列在表３－１逡逑－ＩＩ－逡逑

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