● 摘要
稠环芳香烃(PAHs)在有机光伏电池(OPVCs)、发光二极管(OLEDs)和场效应晶体管(OFETs)等电子材料中具有广泛应用. 用N原子取代芳香环上CH基团, PAHs的物理化学性质会发生显著改变, 载流子传输能力提高, 是功能化稠环芳香烃的常用方法. 本文研究内容包括以下两部分:
第三章 设计6种多氮杂蒄结构, 采用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G(d)方法研究引入N原子数量、位置对蒄几何构型、电子结构的影响. 应用Marcus理论在PW91PW91/6-31G(d)水平上计算三氮杂蒄衍生物3b及结构相近的未氮功能化的蒄衍生物3a转移积分, 预测二者室温下的载流子迁移率, 并讨论氮功能化对晶体分子堆积方式、转移积分、重组能及载流子迁移率的影响. 最后, 用一维扩散方程法和稳态主方程法计算3b晶体a-b平面内载流子迁移率的各向异性.
结果表明, 用N原子取代蒄芳环上的CH基团, 可以降低前线轨道能级, 增加晶体层内及层间分子间C-H…N弱相互作用, 改变堆积方式, 促进材料由p型有机半导体向n型转换. 十二氮杂蒄(12ac)呈独特的“碗状”结构, 其余氮杂蒄维持平面构型. 前线轨道能级值与N原子数n线性相关. 邻位氮功能化效果最明显, 但会导致空穴重组能明显增加. 298.15K时, 3a空穴迁移率μh=3.478×10-5cm2·V-1·s-1, 电子迁移率μe=3.633×10-6cm2·V-1·s-1; 氮功能化的3b晶体μh=0.004cm2·V-1·s-1, μe=2.117cm2·V-1·s-1. 稳态主方程法的计算结果表明, 3b晶体中电子沿b轴方向迁移率最高, μe, max=1.097×10-2cm2·V-1·s-1. 而一维扩散方程法结算结果显示电子沿与b晶轴49°夹角方向迁移率最高, 达6.352cm2·V-1·s-1. 分析电子传输路径及转移积分值可知, 扩散方程方法忽略了电子传输过程中慢反应步骤对连续反应的总反应速率的限制, 主方程法结果更加合理.
第四章 筛选能级差小, 前线轨道能级低的氮杂蒄结构作为吸电子基(A), 结合二氰基乙烯(A’)、二噻吩噻咯(D)两种构筑单元, 设计5种具有A’-A-D-A-A’结构的光伏电池有机小分子供体材料. 用B3LYP/6-31G(d)和TD-B3LYP/6-31G(d)方法研究供体分子几何构型、前线轨道、态密度、重组能及吸收光谱, 预测供体分子与PC61BM构成的异质结光伏电池的开路电压及功率转换效率.
结果表明, 设计的供体分子具有良好的平面π共轭结构. 前线轨道能级随n增加而降低, 其中ELUMO与n呈良好的线性关系. 设计分子的空穴重组能均很小(0.09-0.14eV), 可能具有良好空穴传输能力. 其中, 以D-6-o为供体的光伏器件功率转换效率最高, 预计为9-10%, 开路电压为1.21V, 吸收光谱覆盖356.3-676.4nm范围. D-6-s转换效率为7%, 光谱较宽, 覆盖331.8-726.4范围, 开路电压为1.71V. D-8-o光谱展宽最宽(388.9-842.6nm), 但其前线轨道能级过低, 与PC61BM能级不匹配, 导致转换效率低. 所有设计的分子在可见光区域均具有强的吸收峰, 理论预测的开路电压大, 为实验提供参考.
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