基于苯并噻二唑和芴类有机小分子受体材料的理论研究
发布时间：2019-08-08 18:23
【摘要】：有机半导体材料由于成本低、结构易调节、柔韧性和成膜性好等优点被广泛应用于有机太阳能电池。相比给体材料,受体材料的关注较少。非富勒烯小分子受体材料由于结构有序、光谱和能级易于调节、合成途径简单等优势逐渐受到科研工作者们的关注。近年来,理论设计与实验相结合是一个有效地制备高性能有机半导体材料的策略。本论文通过量子化学计算探讨了一系列基于芴和苯并噻二唑类有机小分子受体材料的几何结构与光伏性能的关系,为设计合成高性能的小分子受体材料提供理论基础和指导。主要研究内容包括以下四个部分:1.氰基(CN)是强的吸电子基团,由于其具有调整轨道能级、增加电子亲和能和电荷传输能力等优势被应用于有机小分子受体材料的结构修饰,而得到广泛的研究。为了探究分子末端CN数量对受体材料光电性质的影响,在2-[{7-(9,9-di-n-propyl-9H-fluoren-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazol-4-yl} methylene]malononitrile(K12)的基础上理论设计了一系列新型受体小分子(2-5)。通过密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)计算了影响分子光电性能的重要参数。结果表明:与K12相比,对称且含有两个CN的3和含有一个CN的4的最低未占据分子轨道能级(LUMO)能级较高,能够提高器件的开路电压(VOC);与给体材料聚-(3-己基噻吩)(P3HT)的紫外吸收能更好的匹配,改善器件的短路电流USC);激子在材料表面也较容易分离。分子末端不同数量的CN引入会引起分子光电性质发生规律性的变化,为合成高能量转换效率的小分子受体材料提供理论支持。2.分子扭曲程度对小分子受体材料实现三维传输和提高光伏性能有重要影响,所以探究受体材料扭曲程度与光伏性能的关系是必要的。基于卤化六苯并寇(8F-8C1-cHBC)衍生物,通过引入苯并噻二唑(BT)桥和关闭HBC外围环改变扭曲度设计一系列分子(1-14)。采用DFT和TDDFT方法对与VOC有关的电子结构和能级,以及与Jsc有关的吸收光谱进行系统的研究。与此同时,采用马库斯半经验模型探究P3HT/1-14界面的分子间电荷转移速率和复合速率进行计算。结果显示:8F-8C1-cHBC二聚物通过引入BT桥可以有效地调节能级、增加光吸收,并与P3HT给体性能匹配。改变HBC单元闭环数量可以规律的改变分子的扭曲程度,从而调节形貌和π-π相互作用形成三维电荷传输。因此,基于这部分工作中的策略,我们设计的稍微弯曲的非平面结构的二聚物受体可能有卓越的光伏性能。3.分子骨架的几何决定分子光电性质,这是影响器件光伏性能的主要因素。所以,在分子水平上上,设计并比较基于9,9'-bifluorenylidene(99'BF)受体的分子构象、类型重复单元数量对分子光伏性能的影响是系统而有意义的研究。采用DFT和TDDFT方法计算电子结构、VOc和与Jsc有关的参数:吸收光谱、电子-空穴相关、驱动力和界面电荷转移和复合速率以及分子各个单元的轨道贡献,解释几何-性质之间的关系并表征分子光伏性能。计算结果显示:p构象线性结构的4单元数分子显示出大的VOC、容易的激子解离、与给体匹配的能级和吸收光谱、界面上大的分离速率和小的复合速率,是构建有机光伏器件的优秀受体材料。研究结果表明:系统地筛选分子构象→结构→重复单元数量是设计高性能非富勒烯小分子受体的有效策略。4.在第三部分研究的基础上,这一部分将重点集中在与99'BF结构和性能相似的BAE衍生物的研究。为了得到高性能的BAE衍生物,我们制定了一系列的分子筛选计划。首先在分子BAE的X/Y位置上引入不同的杂原子并表征分子性能,选择P3HT为受体,进行给、受体性能的匹配性验证。然后,基于杂原子筛选的结果,通过连接不同数量和种类的基团进一步设计受体小分子,结合DFT表征这些分子的光伏性能并进行比较。结果表明引入C=O的A构象分子A7和引入S和一个C=O的构象T的分子T3和T6是有潜力的受体材料。基于连接基团的数量和种类的研究还在进行中。
【图文】：
逡逑异质结器件的结构如图１．１ｂ所示，选择匹配的给、受体材料可得到宽的吸收，逡逑比单质结器件（图１．１ａ）的光电转换效率高。但是，电荷只能在给、受体的界面处逡逑分离，限制了器件的光吸收，从而阻碍了器件的发展。ＢＨＪ器件（图１．１ｃ）是基于逡逑由电子供体（Ｄ）和电子受体（Ａ）材料接触产生的异质结。针对ｐ－ｎ异质结缺点，ＢＨＪ逡逑器件的混合层可以充分地增大给受／体的接触面积，，具有激子分离效率高和制备逡逑工艺简单等优势成为ＯＰＶ器件的研宄主流。而级联结构是一种增加材料层数的逡逑串联器件，利用不同材料的优势性质，同时也增加了器件制备的难度。近年来，逡逑ＢＨＪ器件又发展了具有长的寿命和高的稳定性的一种倒置的器件结构［１４］（图ｌ．ｌｅ）。逡逑逦逦，逦［邋ｉｆｅ逦邋｜逦，０逡逑ｉ逦阴极逦Ｉ邋＾邋受体材料逦＾逡逑ｊ逦玻璃基底逦｜逦玻璃傶底逡逑ａ逦逦ｂ逦]嬪义希橐跫缂╁危沐义匣靶缘ピ峁梗插五逡诲蔚洛义希礤危卞巍五五五义县巍福叔吻尚裕蓿″五义县窝艏危劐窝艏В惧邋五义霞瑍栧危ǎ咤尾５洹哄五义贤迹保降湫偷钠骷峁梗唬幔ブ式崞骷
本文编号：2524522
【图文】：
逡逑异质结器件的结构如图１．１ｂ所示，选择匹配的给、受体材料可得到宽的吸收，逡逑比单质结器件（图１．１ａ）的光电转换效率高。但是，电荷只能在给、受体的界面处逡逑分离，限制了器件的光吸收，从而阻碍了器件的发展。ＢＨＪ器件（图１．１ｃ）是基于逡逑由电子供体（Ｄ）和电子受体（Ａ）材料接触产生的异质结。针对ｐ－ｎ异质结缺点，ＢＨＪ逡逑器件的混合层可以充分地增大给受／体的接触面积，，具有激子分离效率高和制备逡逑工艺简单等优势成为ＯＰＶ器件的研宄主流。而级联结构是一种增加材料层数的逡逑串联器件，利用不同材料的优势性质，同时也增加了器件制备的难度。近年来，逡逑ＢＨＪ器件又发展了具有长的寿命和高的稳定性的一种倒置的器件结构［１４］（图ｌ．ｌｅ）。逡逑逦逦，逦［邋ｉｆｅ逦邋｜逦，０逡逑ｉ逦阴极逦Ｉ邋＾邋受体材料逦＾逡逑ｊ逦玻璃基底逦｜逦玻璃傶底逡逑ａ逦逦ｂ逦]嬪义希橐跫缂╁危沐义匣靶缘ピ峁梗插五逡诲蔚洛义希礤危卞巍五五五义县巍福叔吻尚裕蓿″五义县窝艏危劐窝艏В惧邋五义霞瑍栧危ǎ咤尾５洹哄五义贤迹保降湫偷钠骷峁梗唬幔ブ式崞骷
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