幾種有機(jī)太陽(yáng)能電池供體材料的光伏性能.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池由于具有諸多潛在的優(yōu)勢(shì)成為了太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)與利用研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，比如，低成本、重量輕、容易加工及制備工藝簡(jiǎn)單等。本文設(shè)計(jì)了一系列聚合物和共軛小分子供體材料，采用密度泛函理論及含時(shí)密度泛函理論研究了聚合物及共軛小分子供體中缺電子或富電子基團(tuán)對(duì)其電子和光學(xué)吸收性質(zhì)的影響，并探索了供體材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中的性能表現(xiàn)。計(jì)算結(jié)果表明，合理的調(diào)節(jié)聚合物及小分子供體中富電子或缺電子基團(tuán)強(qiáng)度能夠有效的增強(qiáng)供體材料的電子性質(zhì)及拓寬

2、光學(xué)吸收范圍，并提高了供體材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中的性能。本文通過(guò)對(duì)供體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及影響有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率因素的探索，以提供有效的供體材料分子設(shè)計(jì)策略，從而為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。本文的主要內(nèi)容如下:
　　第一章主要介紹了有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展?fàn)顩r、工作過(guò)程，有機(jī)太陽(yáng)能電池中聚合物和共軛小分子供體材料的研究進(jìn)展，及有機(jī)太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域存在的一些基本問(wèn)題。
　　第二章簡(jiǎn)單介紹了本文用到的理論計(jì)算方

3、法，密度泛函理論和含時(shí)密度泛函理論，包括基本的原理及常用的方法。另外還簡(jiǎn)要介紹了Marcus方程在電子轉(zhuǎn)移研究中的相關(guān)應(yīng)用，有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中的一些理論特征。
　　在第三章中，基于吡咯并吡咯二酮-噻吩并[3，2-b]噻吩的兩種聚合物供體DPPTT-T和DPPTT-S作為例子，我們采用密度泛函理論、含時(shí)密度泛函理論和Marcus理論系統(tǒng)地研究了聚合物供體材料的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和光學(xué)吸收、及在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中的理論

4、特征。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，聚合物DPPTT-T作為供體的有機(jī)太陽(yáng)能電池具有更大的短路電流，因此比DPPTT-S作為供體的電池表現(xiàn)出更高的光電轉(zhuǎn)化效率。計(jì)算結(jié)果顯示可能是DPPTT-T聚合物在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有更快的電子轉(zhuǎn)移速率。在供受體界面電子轉(zhuǎn)移性能上，聚合物供體與受體PC61BM之間的排列方式對(duì)電子轉(zhuǎn)移和電荷重組速率有著重要的影響。在聚合物單體的空穴傳輸性能方面，研究結(jié)果表明縮小分子之間ππ堆積距離并增加相鄰分子的π共

5、軛環(huán)投影重疊程度是提高空穴遷移率有效的方法。本章對(duì)聚合物的性質(zhì)及在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化中理論特征的研究，將會(huì)對(duì)供體材料的設(shè)計(jì)與篩選提供可靠的理論依據(jù)。
　　在聚合物供體中引入強(qiáng)缺電子基能有效的調(diào)控供體的電子性質(zhì)和光學(xué)吸收。在第四章中，我們?cè)诟浑娮庸w-缺電子受體(D-A)型聚合物鏈中缺電子基團(tuán)上引入強(qiáng)的缺電子氟和氰基，并研究了聚合物的電子性質(zhì)、光學(xué)吸收及在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的性能。研究結(jié)果表明，在聚合物鏈上引入強(qiáng)的缺電子基團(tuán)（氟和

6、氰基）不僅能夠明顯的降低分子的前線(xiàn)分子軌道能量、提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓，還能提高聚合物供體的光學(xué)吸收及空穴傳輸性能。另外，在本章研究的所有體系中，氰基取代的兩種聚合物P CPDT-1CNB和PDTPr-1CNBT表現(xiàn)出比較優(yōu)異的性能，比如，具有最小的能隙、低的最高占據(jù)軌道(HOMO)能級(jí)、高的開(kāi)路電壓，良好的空穴傳輸性能(空穴遷移率分別是3.67×10-3 cm2V-1s-1和8.05×10-4 cm2Vqsq)，當(dāng)作為供體材料，

7、在有機(jī)太陽(yáng)能電池中預(yù)測(cè)的光電轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到了～7.2％和～6.8％?？梢?jiàn)在聚合物鏈上引入強(qiáng)的吸電子基團(tuán)，是一種獲取潛在聚合物供體材料很有效的方法，以提高有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)效率。
　　在第五章中，通過(guò)調(diào)節(jié)D-A聚合物中缺電子部分的強(qiáng)度，企圖實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏性能的提高。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，基于富電子的碳-、硅-及氮-橋連二噻吩和缺電子的噻吩并[3,4-C]吡咯-4，6-二酮(TPD)共聚的三種供體材料PCPDTTPD(Pa1

8、)、PDTSTPD(Pa2)和PDTPTPD(Pa3)，我們采用更強(qiáng)的富電子基團(tuán)噻吩并[3，4-C]噻吩-4，6-二酮(thieno[3，4-c]thiophene-1，3-dione，TTD)和噻吩并[3，4-C]呋喃-4，6-二酮(thieno[3，4-c] furan-1，3-dione，TFD)分別替代了TPD，設(shè)計(jì)了新的D-A聚合物Pb1-Pb3和Pc1-Pc3系列。相應(yīng)的與聚合物Pa1-Pa3作對(duì)比，設(shè)計(jì)的聚合物Pb1-Pb

9、3和Pc1-Pc3均表現(xiàn)出更好的性能，比如，更小的能隙、更低的HOMO能級(jí)、更寬的光學(xué)吸收范圍及更高的空穴遷移率。設(shè)計(jì)的聚合物作為供體材料，在有機(jī)太陽(yáng)能電池中預(yù)測(cè)的光電轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到了約10.0％。研究結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)D-A聚合物中缺電子基團(tuán)的強(qiáng)度是一種改變聚合物供體固有性質(zhì)的有效途徑，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)電池光伏性能的提高。
　　在第四章和第五章中，我們探討的是D-A聚合物中引入強(qiáng)缺電子基團(tuán)或者調(diào)節(jié)缺電子基強(qiáng)度對(duì)聚合物供體電子和光

10、學(xué)吸收性質(zhì)的影響。在第六章中，我們通過(guò)調(diào)節(jié)D-A聚合物中富電子單元的強(qiáng)度，研究的是富電子基團(tuán)對(duì)D-A聚合物結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和光學(xué)吸收的影響，及在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中的性能表現(xiàn)?；谝幌盗懈咝У腄-A聚合物PCPDTBT(Pc1)、PCPDTFBT(Pc2)和PCPDTDFBT(Pc3)，分別由富電子單元環(huán)戊二噻吩(cyclopentadithiophene，CPDT)和不同的缺電子單元苯并噻二唑(2，1，3-benzothiadi

11、azole，BT)及氟化的BT構(gòu)成。我們采用一種富電子基團(tuán)dithienogermolodithiophene(DTTG)分別替換了Pc1-Pc3中的CPDT部分，設(shè)計(jì)了一系列新的聚合物Pd1-Pd3。對(duì)比研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的聚合物Pd1-Pd3相比于Pc1-Pc3，不僅能夠產(chǎn)生更紅移的吸收波長(zhǎng)與太陽(yáng)發(fā)射光譜有更大的重疊，在供受體界面還表現(xiàn)出更高的電子轉(zhuǎn)移速率、及供體材料具有更高的空穴傳輸性能。另外，設(shè)計(jì)的聚合物作為供體的有機(jī)太陽(yáng)能電池

12、，預(yù)測(cè)的光電轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到了～8.4％。本章研究結(jié)果表明，在聚合物供體材料分子設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)D-A聚合物中富電子基團(tuán)的強(qiáng)度將會(huì)是另一種可行的方法，以獲取潛在的D-A聚合物供體材料，從而提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
　　基于共軛小分子的有機(jī)太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)化效率上雖然落后于聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池，但是，相比于聚合物供體材料，共軛小分子供體在有機(jī)太陽(yáng)能電池器件中表現(xiàn)出更多的潛在優(yōu)勢(shì)逐漸引起了人們的關(guān)注，比如，可自定義的分子結(jié)構(gòu)、

13、容易純化、可調(diào)的電子性質(zhì)、高的載流子遷移率及可重現(xiàn)的成批生產(chǎn)等。以吡咯并吡咯二酮吸電子基團(tuán)構(gòu)建的受體-供體-受體(A-D-A)型共軛小分子成功的被應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池，并表現(xiàn)出良好的光伏性能。在第七章中，以吡咯并吡咯二酮為缺電子的受體和苯為富電子的給體構(gòu)建的A-D-A小分子SM1，我們采用不同強(qiáng)度的缺電子基團(tuán)替代SM1中的富電子的苯環(huán)，設(shè)計(jì)了四種新的小分子供體，以調(diào)節(jié)小分子供體的電子性質(zhì)及光學(xué)吸收性能。本章的主要目的是為了探索小分子的結(jié)

14、構(gòu)及性質(zhì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中所扮演的角色，提出小分子供體材料的分子設(shè)計(jì)策略。研究結(jié)果表明，在我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，共軛小分子SM2-SM5表現(xiàn)出更低的HOMO能級(jí)、更窄的能隙、更大的光學(xué)吸收范圍、在供受體界面具有更好的電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)及更高的空穴遷移率。另外，對(duì)于小分子供體，降低的HOMO能級(jí)和減小的激發(fā)能在有機(jī)太陽(yáng)電池應(yīng)用中對(duì)開(kāi)路電壓、短路電流及填充因子的提高具有重要的作用。本章的研究結(jié)果證明了以缺電子基團(tuán)替代A-D-A小分子供體中