有机光伏给受体材料卤化的理论研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:flypig2
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作为有机光伏器件的关键组成部分,活性层电子的给体和受体材料选择是非常重要的,开发电子给体和受体材料的分子工程在提高有机光伏器件的光电转换效率(PCE)方面起着重要作用。为了研究给体卤化和受体卤化对分子性质、器件性能的影响及其内在机制,本文分别以受体ITIC分子和给体PBnDT-TAZ,PBnDT-DTx BT(x=0F,1F)分子作为代表体系,通过密度泛函理论和含时密度泛函理论方法,采用调节区间分离参数的杂化泛函,并考虑固相极化效应,探究了给体卤化和受体卤化对单体和复合物材料的几何结构、电子结构、激发性质、分子表面静电势及其有机异质结界面处电子过程速率的影响。本文主要工作如下:为探究受体ITIC分子的卤化,选择的受体是用卤素双取代ITIC的IT-2X(X=F,Cl,Br),给体是PBDB-T分子。探究卤化对受体ITIC和PBDB-T/ITIC和复合物PBDB-T/IT-2X(X=F,Cl,Br)的几何形状、电子结构、激发性质、静电势以及异质结界面处电荷转移、激子解离和电子复合过程的速率常数的影响。结果表明,ITIC分子的卤化对分子的几何结构、轨道能、吸收光谱和激发特性有轻微影响。然而,ITIC分子的卤化明显增加了受体和给体PBDB-T之间的静电势差值,较大的静电势差值将产生更强的界面电场,其顺序是从氟化、氯化到溴化依次增加,卤化也增加了复合物电荷转移态的转移电量。同时,卤化对电荷转移态的能量和电子过程速率的影响取决于不同卤素元素的取代。无论在受体的卤化过程中引入哪种卤素元素进行取代,在这些有机光伏器件中,激子解离总是有效的。这项工作提供了对卤化机制的理解,同时也有利于借助卤化策略设计新型有机光伏材料。为探究给体卤化,选择D-π-A-π型聚合物给体材料PBnDT-TAZ和PBnDT-DTx BT(x=0F,1F),PC61BM作为富勒烯受体材料,探究聚合物给体分子氟原子取代的位置和数量(0,1,2,4)对于分子性质的影响。研究结果表明,氟化降低了聚合物给体的最高占据分子轨道(HOMO)能级,但是对最低未占据分子轨道(LUMO)能级没有产生明显的影响,因此增大了HOMO与LUMO之间的能级差。噻吩单元X2位的氟化减少吸收峰波长的能力强于X3位的氟化,而苯并噻二唑的氟化降低吸收峰波长的能力介于X2位和X3位之间。并且还发现,氟化将会降低复合物的HOMO能级,这对于提升有机光伏器件的开路电压将是有利的。由于氟原子具有较强的电负性,所以氟化后会引起分子内的电荷转移过程的产生,氟原子取代数目越多,分子表面的平均静电势越大。通过对有机异质结界面处的电子过程速率的计算得知,氟化对降低复合物电子复合过程的速率常数是有效的,但对于电荷转移和激子解离过程来说,氟原子取代的位置和数量对复合物电荷转移和激子解离过程的速率常数有不同的影响。这项工作探究了由九种聚合物给体分别与富勒烯受体PC61BM构成的复合物体系之间的关联,进而理解氟化对分子性质-器件性能之间内在关系的影响。
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