并四苯与并五苯衍生物单线态裂分的理论研究

发布时间：2017-08-01 20:20

  本文关键词：并四苯与并五苯衍生物单线态裂分的理论研究

  更多相关文章： 单线态裂分 氮原子 噻吩环 并四苯 并五苯

【摘要】：较低的光电转化效率带来的高成本问题限制了光伏电池的推广使用,因而寻找能将太阳能光子的能量高效的转化为电能的材料和技术是关键。限制光电转换效率的因素有很多,其中很重要的一点就是目前的单结电池材料不具备将高能量的光子完全转换为电能的能力。当光子的能量高于半导体带隙值时,电池吸收光子后的过剩能量以热量的形式耗散；而低能光子例如红外线却无法被电池吸收利用。如果利用单线态裂分(Singlet Fission, SF),使一个高能量的光子裂分成两个低能量的光子,将产生的两个电子/空穴对注入到电池电极中加以利用,便可实现对高能量光子的充分利用,突破Shockley-Queisser limit,将光电转化效率提高到46%。在所有可发生SF的分子中,并四苯和并五苯由于分子量小、分子结构简单、SF产率高被广泛研究,有望成为最具应用前景的分子。然而,它们极易发生光氧化而降解的特性,又阻碍了人们对它更深入的研究。在有机分子骨架上引入取代基可以改变分子的溶解性和光稳定性,同时调节激发态的能级水平。考虑到氮杂化的并苯以及以噻吩为基础的材料展现出优良独特的光电性质,论文中我们选择sp2杂化的氮取代的并四苯和并五苯衍生物,以及含有噻吩环的并四苯和并五苯衍生物作为研究对象,详细讨论了它们对并苯稳定性以及SF相关性质的影响。具体工作如下：第一章：概述了SF的研究背景、发生机制、热力学条件以及发展现状,重点介绍了以上各方面在并四苯、并五苯中的研究；概述了取代基对并四苯、并五苯稳定性的影响以及氮杂环、噻吩环对并苯中与光电性质有关的参数的影响。第二章：设计了一系列sp2杂化的氮原子取代的并四苯及并五苯衍生物,利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)计算了氮原子的引入、位置、数量以及取代方式(吡啶环,哒嗪环,吡嗪环)对母体前线分子轨道能量及激发态能量的影响。结果表明：引入氮原子尤其是在母体α和δ位置引入氮原子时,可降低前线分子轨道的能量,提高分子的光稳定性。对于SF过程是放热的分子而言,引入氮原子可进一步减少SF过程的能量损失,提高SF的效率。然而,对于SF过程是吸热的分子,裂分将需要更多的热补偿,不利于SF的进行。第三章：采用理论计算的方法,对一系列噻吩环-苯环稠合的并苯类衍生物进行了系统的研究,结合分子轨道图以及回归分析讨论了噻吩环对并四苯、并五苯的轨道能量尤其是单线态裂分能力的影响。结果表明：噻吩环以(p,p)方式与苯环稠合时,可降低最高占据分子轨道(HOMO)与最低空分子轨道(LUMO)之间的能级差,增强分子的双自由基性质,增大SF的热力学驱动力。但是当噻吩环以(α,β)方式与苯环稠合时,将导致更大的HOMO-LUMO能级差,SF热力学驱动力减小甚至消失。
【关键词】：单线态裂分 氮原子 噻吩环 并四苯 并五苯
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O625.1;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符号说明12-13
• 第一章 前言13-35
• 1.1 概述13
• 1.2 SF简介13-23
• 1.2.1 SF研究背景13-14
• 1.2.2 SF机理及分子耦合14-20
• 1.2.3 SF热力学满足条件20-23
• 1.3 取代基及杂原子对并苯性质的影响23-28
• 1.3.1 取代基对并苯性质的影响23-25
• 1.3.2 杂原子对并苯性质的影响25-28
• 参考文献28-35
• 第二章 氮原子对并四苯、并五苯稳定性及单线态裂分的影响35-56
• 2.1 引言35-36
• 2.2 计算方法36-38
• 2.3 结果与讨论38-50
• 2.3.1 并五苯衍生物的前线分子轨道能量与稳定性38-42
• 2.3.2 并五苯衍生物的激发态能量与SF42-47
• 2.3.3 并四苯衍生物的SF简述47-50
• 2.4 小结50-52
• 参考文献52-56
• 第三章 噻吩环-苯环稠合分子的前线分子轨道能量及SF驱动力56-67
• 3.1 引言56
• 3.2 计算方法56-57
• 3.3 结果与讨论57-64
• 3.3.1 前线轨道能量57-61
• 3.3.2 热力学驱动力△E_(SF)61-64
• 3.4 小结64-65
• 参考文献65-67
• 结论与展望67-68
• 致谢68-69
• 硕士期间发表论文69-70
• 附录70-79
• 学位论文评阅及答辩情况表79

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本文编号：606027