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新型富勒烯衍生物NAAFs系列分子的合成及光伏性能研究
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内容提示：人类社会的快速发展离不开能源的开发，而太阳能电池作为清洁能源是对环境友好的新能源之一，越来越成为科学界最为热门的研究课题。与无机薄膜太阳能电池相比，聚合物太阳能电池具有制备工艺简单、质量轻、成本低、色彩丰富、便于大量生产等优点而成为人们关注的焦点之一。在聚合物太阳能电池中，活性层通常由给体材料和受体材料共混组成，其中富勒烯及其衍生物材料(如：PC61BM和PC71BM)是最常用的受体材料。富勒烯及其衍生物具有独特的三维空间立体分子结构使其能够与给体材料在空间各个方向充分发生相互作用，同时，其较低的LUMO能级和较小的重组能使其具有高的电子亲和势和电子迁移率，因而被认为是理想的受体材料。目前最常应用于有机光伏器件的受体材料富勒烯衍生物是单加成、双加成、五加成等类型的产物，而新型高效的富勒烯材料仍不多见；同时，这些常用的富勒烯衍生物(如：PC61BM和ICBA)对制备条件要求严格，从而使富勒烯衍生物的价格昂贵。 本论文的目的是通过设计简单的合成方法制备一类新型高效的富勒烯受体材料，其具体内容如下：
（1）在常温常压条件下将C60分别与不同结构的烷基胺加入DIB和I2发生[2 1]氮杂环加成，仅通过一步反应三十分钟就可合成NAAFs系列分子。经分离提纯后所得产物利用1H NMR、13C NMR、质谱等方法进行结构表
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官方公共微信有机太阳能电池D-A型供受体材料的理论研究--《西南大学》2015年硕士论文
有机太阳能电池D-A型供受体材料的理论研究
【摘要】：有机太阳能电池由于其具有成本低、重量轻、易加工等优势,受到了越来越多人的关注。有机太阳能电池的活性层通常由供体材料和受体材混合而成。根据活性层组成材料可以分为有机小分子和聚合物电池,其中聚合物太阳能电池成为该领域的研究热点。近些年,聚合物太阳能电池能量转化效率取得了显著的进展,然而仍然没有达到商业化应用的要求。在此,我们从理论角度尝试设计新型的供体和受体材料来改善有机太阳能电池的性能。并且希望我们的研究能给与实验工作者在设计供受体材料时提供理论依据和指导。主要研究内容包括以下三个方面：1.理论研究新型的梯型并环缺电子-单元对donor-acceptor (D-A)供体性能的影响目前,大量的报道含有梯型并环结构的供体分子,其梯型结构都是在D-A供体的给电子部分。在本文中,我们首次把D-A供体缺电子部分设计成梯型稠环结构。通过使用密度泛函及含时密度泛函方法分别计算供体分子的HOMO/LUMO能级、光吸收光谱以及电荷转移速率。通过与给电子部分为梯型结构的供体分子对比,我们发现含有梯型结构缺电子部分的供体分子具有相同的优点：增强分子链内的π共轭程度、减小能隙和重组能以及有利于分子间的π-π堆叠等。然后,我们在梯型缺电子部分上引入给电子基和吸电子基进一步调节供体分子的电子、光学以及电荷传输性质。根据对计算结果的总结和分析,我们发现在供体分子引入合适的梯型结构缺电子部分可以明显地提高电池的性能。2.取代基(H, CH3, OCH3和CN)双取代联噻吩桥对D-π-A供体性能的影响迄今为止,大量的报道都是关于设计新型的D和A建构单元来提高供体分子的光电性能,然而,关于研究D-π-A聚合物中π-桥的报道却非常少。虽然有文章报道了通过引入不同的π-桥来改善D-π-A供体分子光伏性能。但是,没有人去研究在π-桥引入不同的取代基来修饰供体分子。在此,我们用不同的取代基(H, CH3, OCH3和CN)对联噻吩桥进行双取代,然后对影响D-π-A供体分子光电转换效率的因素进行了讨论,如：HOMO/LUMO能级、光吸收效率、重组能以及载流子迁移率。计算结果表明,联噻吩桥上的取代基对D-π-A共聚物的基态结构、电子、光学性质和空穴迁移率有重大影响。我们还发现在联噻吩桥同时引入给电子和吸电子集团不仅便于调节聚合物的能级和能隙,而且还可以改善供体的电荷传输性质和光电性能。3.理论设计新型蒽和吡啶并[2,3-g]喹啉二酰亚胺类n-型共聚物用于有机太阳能电池与大量的供体材料的研究报道相比,关于受体材料的研究远远少于供体。PC61BM/PC71BM ([6,6]-苯基-C61/C71-丁酸甲酯)是最常用的受体,然而,可见区域的光吸收性能弱和低LUMO能级是两个阻碍PC61BM和PC71BM成为优秀受体的不利因素。因此,设计和合成高效的受体替代经典的电子受体PC61BM和PC71BM是一个很有前景的研究方向。近些年,芳香二酰亚胺类物质因其优秀的电子和光学性质已逐渐用于受体材料,例如萘和苝二酰亚胺衍生物；同时它们也被认为是最有可能取代经典的富勒烯受体的物质。在此,我们首次从理论上探讨分子骨架的平面性和缺电子部分的吸电子能力强弱是如何对D-A非富勒烯受体性能参数产生影响,例如：HOMO/LUMO能级、光吸收范围和吸收效率、供受体界面的激子分离效率以及分子间电子迁移率。由计算结果可知,改善分子骨架的平面性和增强缺电子部分的吸电子能力可以显著地改善上述的参数。这可以给实验设计性能优良的非富勒烯受体材料提供一定的理论依据和指导。
【关键词】：
【学位授予单位】：西南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TM914.4【目录】：
摘要5-7Abstract7-10第一节 选题的背景10-18 1.1 有机太阳能电池国内外的研究现状10 1.2 有机太阳能电池的结构10-11 1.3 有机太阳能电池工作的原理11 1.4 有机太阳能电池活性层的构成11-13
1.4.1 供体材料12-13
1.4.2 受体材料13 1.5 选题的意义13-15 参考文献15-18第二节 理论基础18-26 2.1 密度泛函理论18-20
2.1.1 基本原理19-20 2.2 含时密度泛函理论(TD-DFT)20-21 2.3 Marcus电荷转移理论21-23 参考文献23-26第三节 从理论上研究在新型梯型结构上引入不同的取代基对D-A共聚物性能的影响26-42 3.1 引言26-27 3.2 计算详情27-29 3.3 结果与讨论29-36
3.3.1 基态结构性质29
3.3.2 前线分子轨道29-32
3.3.3 吸收光谱32-33
3.3.4 怎样设计才能使聚合物分子具有低的HOMO能级和窄的带隙33-34
3.3.5 载流子迁移性质34
3.3.6 太阳能电池的性能34-36 3.4 结论36-38 参考文献38-42第四节 从理论上研究在联噻吩桥上引入不同的取代基对D-π-A共聚物性能的影响42-60 4.1 引言42-43 4.2 计算详情43-44 4.3 结果和讨论44-53
4.3.1 基态结构的性质44-45
4.3.2 前线分子轨道能级45-48
4.3.3 理论表征有机太阳能电池三个重要的参数(V_(oc),J_(sc)和FF)48-51
4.3.4 电荷转移性质51-52
4.3.5 电池的性能52-53 4.4 结论53-55 参考文献55-60第五节 理论设计新型蒽和吡啶并[2,3-g]喹啉二酰亚胺类n-型共聚物用于有机太阳能电池60-80 5.1 引言60-61 5.2 计算详情61-63 5.3 结果和讨论63-74
5.3.1 基态结构的性质63
5.3.2 前线分子轨道能级63-66
5.3.3 光吸收66-70
5.3.4 受体捕获电子的能力70
5.3.5 受体在分子间电子转移的性能70-72
5.3.6 供受体活性层光吸收性质72-74 5.4 结论74-75 参考文献75-80附录 硕士期间已完成的论文80-82致谢82
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