【摘 要】
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三元有机太阳能电池(T-OSC),由于第三组份的引入,器件的能量转换效率(PCE)在过去短短几年不断被刷新,目前已突破17%,可以与最好的二元有机太阳能电池相媲美。然而,该类电池的发展仍处于起步阶段,其光电转换机制尚不完善。导致现今提高T-OSC器件PCE的方法仍采用二元有机太阳能电池中设计给受体材料和优化实验条件的方法或尝试不同的三种材料组合、改变第三组份的配比等。而无法根据微观机制的特点进行针
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三元有机太阳能电池(T-OSC),由于第三组份的引入,器件的能量转换效率(PCE)在过去短短几年不断被刷新,目前已突破17%,可以与最好的二元有机太阳能电池相媲美。然而,该类电池的发展仍处于起步阶段,其光电转换机制尚不完善。导致现今提高T-OSC器件PCE的方法仍采用二元有机太阳能电池中设计给受体材料和优化实验条件的方法或尝试不同的三种材料组合、改变第三组份的配比等。而无法根据微观机制的特点进行针对性设计。因此,第三组份的加入缺乏目的性和针对性,器件效率难以实现进一步突破,阻碍其广泛应用。为了开发高效T-OSC并推动其长足发展,深刻理解、完善和合理利用光电转换机制成为亟待解决的问题。本文采用分子动力学(MD)模拟、密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT),探究具有级联能级结构的双给体T-OSC(D1:D2:A)中给/受体界面的电荷转移机理,揭示第三组份的作用,进而提出设计高效T-OSC的策略,并在此基础上设计了一系列具有高效电荷转移性质的给体材料应用于能级级联的D1:D2:A类T-OSC。论文的主要研究内容如下:1.通过MD、DFT和TD-DFT方法,模拟聚合物:聚合物:富勒烯类T-OSC(P3HT:PCPDTBT:PCBM)、聚合物:小分子:富勒烯类 T-OSC(P3HT:SMPV1:PC71BM)和小分子:小分子:富勒烯类 T-OSC(DR3TBDTT:DR3TBDTT-E:PC71BM)中分子的前线分子轨道、激子解离的能量驱动力、光谱性质、给/受体界面模型和界面电荷转移性质。明确界面电荷转移路径,评估每条路径对总电荷转移的贡献,揭示T-OSC性能的提升的原因。计算结果表明:能级级联的D1:D2:A类T-OSC器件中存在D1向A和D2向A两条电荷转移路径,且这两条路径可以协同作用增加给/受体界面的电荷转移。在这两条路径中,D1到A的转移路径占主要地位,D2到A的转移路径占次要地位。2.通过第一部分的研究可知,在保证D1/A界面的激子解离效率的前提下,提升D2/A界面的解离效率是实现T-OSC器件PCE的进一步突破的有效手段。在Wei课题组报导的DR3TBDTT:DR3TBDTT-E:PC71BM的基础上,改变DR3TBDTT-E的末端吸电子基团,设计了分子M1～M5作为D2。此外,为保证激子在给/受体界面分离的能量驱动力,采用PCBM作为受体,组成了六种T-OSC。通过,前线分子轨道,紫外吸收光谱和电子-空穴贡献热图等方法讨论了不同吸电子基团对D2/A界面的激子解离效率的影响。结果表明:M5具有合适的能级、良好的电子云分布、互补的吸收光谱、较大的分子内电荷转移和更为有效的分子间电荷转移能力,具有成为高效T-OSC给体材料的潜能。
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