基于苯并噻二唑和芴類有機小分子受體材料的理論研究.pdf

1、有機半導體材料由于成本低、結構易調節(jié)、柔韌性和成膜性好等優(yōu)點被廣泛應用于有機太陽能電池。相比給體材料，受體材料的關注較少。非富勒烯小分子受體材料由于結構有序、光譜和能級易于調節(jié)、合成途徑簡單等優(yōu)勢逐漸受到科研工作者們的關注。近年來，理論設計與實驗相結合是一個有效地制備高性能有機半導體材料的策略。本論文通過量子化學計算探討了一系列基于芴和苯并噻二唑類有機小分子受體材料的幾何結構與光伏性能的關系，為設計合成高性能的小分子受體材料提供理論基礎

2、和指導。
　　主要研究內容包括以下四個部分:
　　1.氰基(CN)是強的吸電子基團，由于其具有調整軌道能級、增加電子親和能和電荷傳輸能力等優(yōu)勢被應用于有機小分子受體材料的結構修飾，而得到廣泛的研究。為了探究分子末端CN數(shù)量對受體材料光電性質的影響，在2-[{7-(9,9-di-n-propyl-9H-fluoren-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazol-4-yl}methylene]malononit

3、rile(K12)的基礎上理論設計了一系列新型受體小分子(2-5)。通過密度泛函理論(DFT)和含時密度泛函理論(TDDFT)計算了影響分子光電性能的重要參數(shù)。結果表明:與K12相比，對稱且含有兩個CN的3和含有一個CN的4的最低未占據(jù)分子軌道能級(LUMO)能級較高，能夠提高器件的開路電壓(VOC);與給體材料聚-(3-己基噻吩)(P3HT)的紫外吸收能更好的匹配，改善器件的短路電流（JSC）;激子在材料表面也較容易分離。分子末端不同

4、數(shù)量的CN引入會引起分子光電性質發(fā)生規(guī)律性的變化，為合成高能量轉換效率的小分子受體材料提供理論支持。
　　2.分子扭曲程度對小分子受體材料實現(xiàn)三維傳輸和提高光伏性能有重要影響，所以探究受體材料扭曲程度與光伏性能的關系是必要的?；邴u化六苯并寇(8F-8Cl-cHBC)衍生物，通過引入苯并噻二唑(BT)橋和關閉HBC外圍環(huán)改變扭曲度設計一系列分子(1-14)。采用DFT和TDDFT方法對與VOC有關的電子結構和能級，以及與JSC有關

5、的吸收光譜進行系統(tǒng)的研究。與此同時，采用馬庫斯半經驗模型探究P3HT/1-14界面的分子間電荷轉移速率和復合速率進行計算。結果顯示:8F-8Cl-cHBC二聚物通過引入BT橋可以有效地調節(jié)能級、增加光吸收，并與P3HT給體性能匹配。改變HBC單元閉環(huán)數(shù)量可以規(guī)律的改變分子的扭曲程度，從而調節(jié)形貌和π-π相互作用形成三維電荷傳輸。因此，基于這部分工作中的策略，我們設計的稍微彎曲的非平面結構的二聚物受體可能有卓越的光伏性能。
　　3.

6、分子骨架的幾何決定分子光電性質，這是影響器件光伏性能的主要因素。所以，在分子水平上上，設計并比較基于9，9'-bifluorenylidene(99'BF)受體的分子構象、類型重復單元數(shù)量對分子光伏性能的影響是系統(tǒng)而有意義的研究。采用DFT和TDDFT方法計算電子結構、VOC和與JSC有關的參數(shù):吸收光譜、電子-空穴相關、驅動力和界面電荷轉移和復合速率以及分子各個單元的軌道貢獻，解釋幾何-性質之間的關系并表征分子光伏性能。計算結果顯示:

7、p構象線性結構的4單元數(shù)分子顯示出大的VOC、容易的激子解離、與給體匹配的能級和吸收光譜、界面上大的分離速率和小的復合速率，是構建有機光伏器件的優(yōu)秀受體材料。研究結果表明:系統(tǒng)地篩選分子構象→結構→重復單元數(shù)量是設計高性能非富勒烯小分子受體的有效策略。
　　4.在第三部分研究的基礎上，這一部分將重點集中在與99'BF結構和性能相似的BAE衍生物的研究。為了得到高性能的BAE衍生物，我們制定了一系列的分子篩選計劃。首先在分子BAE的