1。介绍gydF4y2Ba
太阳能电池是一个关键技术为解决世界能源需求。传统太阳能电池制成高纯度硅已经商业化,但他们的应用程序是有限的,因为高成本和重量。体异质结聚合物光伏电池(BHJ)活性层已引起关注,由于其潜在的低成本、轻量级、灵活、容易制造(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba]。BHJ结构,活跃层夹在阳极和阴极之间构成的电子基共轭聚合物和电子受体,和它的属性是最确定的因素在整个聚合物的性能BHJ [gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
在过去的几十年里,许多进步了在聚合物BHJ已达到11%的能量转化效率(PCE)gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba]。PCE的限制因素是稳定性,收获来自太阳的光子通量的能力,有效的激子分离,和载体的机动性。为了提高设备的性能,我们可以开发新的设备架构(gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
8gydF4y2Ba),合成新的聚合物捐助者(gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba)和新电子受体(gydF4y2Ba
11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
14gydF4y2Ba),两端或工作。gydF4y2Ba
近年来,发展中窄带隙聚合物提供了另一种方法实现高电脑导致的在光电转换过程的重要作用:捕获太阳能光子从太阳,激子生成和分离,载体注入,洞交通,影响开路电压的大小(gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
)和短路电流(gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
),从而影响PCE (gydF4y2Ba
ηgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
在gydF4y2Ba
)。为了发展窄带隙共轭聚合物,最强大的策略是将电子供体部分和缺电子受体部分聚合物骨干。由于推拉互动、高效的内部电荷转移(ICT)可以进行从供体(D)受体(A)在光激励,从而导致一个新的吸收带长波长(gydF4y2Ba
15gydF4y2Ba)和生产适当的分子能量水平高gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
、良好的电荷传输和高gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
,从而提高PCE [gydF4y2Ba
16gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
近年来,一些苯并[1、2 b: 4、5 bgydF4y2Ba
′gydF4y2Ba
]dithiophene-containing聚合物应用于聚合物BHJ和场效应晶体管(FET) [gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
22gydF4y2Ba由于其电子结构。相对较大,平面分子结构的噻吩(TH)衍生品不仅保持机动性高,而且有助于促进cofacialgydF4y2Ba
πgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
πgydF4y2Ba叠加。考虑到对称平面结构和高流动性的苯并[1,2 -gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba:4、5 -gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
′gydF4y2Ba
]dithiophene (BDT),霍先生和他的同事基于BDT合成聚合物,即PBDTTBT [gydF4y2Ba
23gydF4y2Ba]。PBDTTBT很溶于普通有机溶剂由于其强大的辛链和提出了一个极好的热稳定性分解温度为337°C没有惰性气氛保护。集团制造聚合物太阳能电池设备基于PBDTTBT捐赠者和电脑gydF4y2Ba70年gydF4y2BaBM富勒烯衍生物受体在2010年。设备的结构ITO / PEDOT-PSS /聚合物:电脑gydF4y2Ba70年gydF4y2BaBM (1: 2,gydF4y2Ba
wgydF4y2Ba/gydF4y2Ba
wgydF4y2Ba)/ Ca / Al,和它的gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
、填充因子(FF),四氯乙烯是0.92 V, 10.70马·厘米gydF4y2Ba−2gydF4y2Ba、57.5%和5.66%,分别gydF4y2Ba
23gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
为了理顺已知材料的实验观察到的属性和预测那些未知的,理论调查结构特点,电荷传输性质,PBDTTBT和激子解离能力是必不可少的。在建模过程中,我们与丁基取代辛,降低计算成本。类似地,我们取代苯并[c][1、2、5)和四个哒嗪衍生物和设计一种新型润滑脂添加剂噻二唑衍生物4 polybenzo [1, 2 -gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba:4、5 -gydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
′gydF4y2Ba
]dithiophene衍生品,PBDTTTP、PBDTTTO PBDTTTPD, PBDTTFPD和研究他们的潜力在基于PC聚合物BHJ捐助者gydF4y2Ba70年gydF4y2BaBM。几个参数确定太阳能电池的性能,电子和结构属性,开路电压(gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
),电荷转移特性,激子分离能力,调查和理论PCE。gydF4y2Ba
本文的分布如下。节gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba,我们描述计算方法获得的电子和结构属性。节gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba,我们详细描述了影响太阳能电池的性能与设计的共聚物,通过比较PBDTTBT和结论部分gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
3所示。结果与讨论gydF4y2Ba
3.1。几何优化gydF4y2Ba
研究了共聚物的草稿是描绘在图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,父母的优化结构的共聚物分子B3LYP /我感觉(d)的缩写,每段如图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba。这些共聚物的选择的键长和键角也在图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba;,c1 (PBDTTBT)或C2-C3(换句共聚物)债券的定义是中央债券连接供体和受体。所有研究共聚物相同的中央债券(1.45),和他们的二面角角度小于37°,这表明聚合物刚性的骨干。(氮)- N -氢(H)或硫(S) /氧- (O)氮(N)相互作用形成稳定的6或5环降低二面角角度和保持分子共面,因此获益的刚性共聚物。此外,债券临界点(bcp)的密度和rcp以及两个相互作用的原子之间的距离也呈现在图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。值得注意的是,S1-C4-C5-C6的角度和C7-C8-C9-S2四设计共聚物小于C4-C5-C6-C7 PBDTTBT C8-C9-C10-C11角度,导致比PBDTTBT更好的共面。gydF4y2Ba
共聚物的结构参数和位置计算网卡。gydF4y2Ba
优化家长共聚物分子的立体画DFT / / B3LYP /我感觉(d)。gydF4y2Ba
为了获得电荷人口分析中央债券研究聚合物,我们计算债券临界点的字符(bcp)债券和中部列表中的数据表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba在补充材料。数据表明,中部的两个原子债券相对积累由于分享互动。gydF4y2Ba
此外,HOMO和LUMO图单体图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba不仅可以定性地说明了电子云分布也反映了电子基和传导部分。我们可以清楚地看到从图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba电子云分布的人类所有的单体聚合轴附近的本地化和主要定位在BDT段在四个设计共聚物,虽然这附近的LUMO本地化TBT, TTP,参加,TTPD, TFPD段(段矩形图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba)。分子轨道图说明BDT段导致五homo共聚物电子基段,和左段(TBT, TTP,参加,TTPD TFPD)主要导致lumo传导部分。此外,为了定量,视图组件的homo和lumo密度状态(DOS)和部分DOS (pdo)单体计算给定的图gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba。如图gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba,TBT段HOMO和LUMO;然而,BDT主要有助于人类在某种程度上。其它聚合物的DOS图显示,重点主要是由BDT段,而lumo几乎完全从TBT, TTP,参加,TTPD, TFPD段。gydF4y2Ba
DOS和pdo的单体。gydF4y2Ba
总之,BDT作为供体主要贡献HOMO和左段主要贡献LUMO,和推拉互动的数字-模拟四个形成共聚物。gydF4y2Ba
3.2。接合特性gydF4y2Ba
一般来说,良好的结构稳定性的分子在某种程度上源于其有利的共轭特性。为了理解的结构稳定性研究聚合物,我们调查他们的结合特性。gydF4y2Ba
网卡是全面用来表达分子芳香性的,因为它可以清晰、简单地监测环电流的条件。芳香系统有非常负面的网卡值,antiaromatic系统有强烈积极的nic值和nonaromatic循环系统应该nic值接近于零(gydF4y2Ba
35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
42gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
44gydF4y2Ba]。聚合物的重复单元的nic值计算和列在表中gydF4y2Ba
2 sgydF4y2Ba,所有的环分子的位置如图所示gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
在表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,戒指nic值沿着聚合轴(a、b和c)比个人更积极的TH (nic,−13.9在B3LYP /我感觉(d)水平)和苯(nic,−9.7在B3LYP /我感觉(d)水平),这来源于电子delocalizing整个分子,因此,形成共轭体系。的网卡值相同的戒指,中心环比终端-环,比如网卡值在a2和a3戒指更负比a1和a4,这说明环电流主要积累在分子的中心。此外,分子的电子从沿着聚合轴体对受体delocalize因为有推拉互动系统;因此,a2、a3、a4和c环的环电流但a1和b环缺乏环电流。此外,环内,d环,网卡值最负在各自的系统中,由于富硫和氮原子的三系统提供大电流环。然而,碳原子PBDTTTPD和PBDTTFPD相对缺电子的氮原子相比,导致小环电流,从而导致更积极的nic值d环。gydF4y2Ba
通过分析rcp的环电流,我们发现PBDTTTP和PBDTTTO PBDTTBT一样的接合和相对稳定的共聚物。gydF4y2Ba
3.3。吸收光谱gydF4y2Ba
如图gydF4y2Ba
4(一)gydF4y2BaPBDTTBT的吸收光谱实验有三个吸收乐队从300年到700海里在氯仿和固体膜,主要吸收峰PBDTTBT位于大约581海里的解决方案(gydF4y2Ba
23gydF4y2Ba]。模拟PBDTTBT单体的吸收光谱TD-DFT / B3LYP ?我是描绘在图(d)水平gydF4y2Ba
4(一)gydF4y2Ba相比之下,溶剂的影响(氯仿)极化连续模型(PCM) [gydF4y2Ba
44gydF4y2Ba计算中考虑。计算PBDTTBT单体的主要吸收峰位于607 nm。测量和模拟光谱之间的协议是在整体光谱形状,不过他们的主要吸收峰是不同的。此外,计算电子转换,吸收波长gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
),振荡器的优点gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
fgydF4y2Ba
),PBDTTBT单体的主要配置表所示gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。在此,年代gydF4y2Ba1gydF4y2Ba←年代gydF4y2Ba0gydF4y2Ba电子跃迁主要来自人类LUMO(吸收过程)。的过程中gydF4y2Ba1gydF4y2Ba←年代gydF4y2Ba0gydF4y2Ba电子跃迁,费用从homocyclic环的接合部分沿着聚合轴TBT部分如HOMO和LUMO图所示PBDTTBT图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。相比之下的电荷密度差异的主要电子激发态PBDTTBT图gydF4y2Ba
2 sgydF4y2Ba,我们发现的电荷转移发生BDT TBT,而烷基组几乎没有参与电荷转移。gydF4y2Ba
(a)实验PBDTTBT作为电影的吸收光谱和氯仿溶液中gydF4y2Ba
23gydF4y2Ba)和模拟吸收光谱PBDTTBT单体(小)在氯仿溶液。(b)吸收光谱的单体设计的四个共聚物在氯仿溶液。gydF4y2Ba
最大吸收波长gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
),振荡器的优点gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
fgydF4y2Ba
)、最低激发能量和单体的主要配置。gydF4y2Ba
| 单体gydF4y2Ba |
λgydF4y2Ba
(nm)gydF4y2Ba |
fgydF4y2Ba
|
EgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
(eV)gydF4y2Ba |
主要配置gydF4y2Ba |
| BDTTBTgydF4y2Ba |
607年gydF4y2Ba |
0.81gydF4y2Ba |
2.04gydF4y2Ba |
HOMO→LUMO (99%)gydF4y2Ba |
| BDTTTPgydF4y2Ba |
706年gydF4y2Ba |
0.61gydF4y2Ba |
1.76gydF4y2Ba |
HOMO→LUMO (99%)gydF4y2Ba |
| BDTTTOgydF4y2Ba |
718年gydF4y2Ba |
0.63gydF4y2Ba |
1.73gydF4y2Ba |
HOMO→LUMO (100%)gydF4y2Ba |
| BDTTTPDgydF4y2Ba |
538年gydF4y2Ba |
0.96gydF4y2Ba |
2.30gydF4y2Ba |
人类→L + 1 (97%)gydF4y2Ba |
| BDTTFPDgydF4y2Ba |
540年gydF4y2Ba |
0.85gydF4y2Ba |
2.30gydF4y2Ba |
人类→L + 1 (83%)gydF4y2Ba |
在同一水平计算,模拟吸收光谱的四个设计共聚物在图gydF4y2Ba
4 (b)gydF4y2Ba。如图gydF4y2Ba
4 (b)gydF4y2BaBDTTTP,单体的吸收光谱和BDTTTO有两个吸收带的范围300 - 800 nm,特别是吸收乐队(Q波段)接近700海里,因此获益收获来自太阳的光子,涌入的单体BDTTTPD和BDTTFPD宽吸收带的范围400 - 600 nm。上述结果表明,父母设计的共聚物分子在可见的地区有广泛的吸收。gydF4y2Ba
此外,详细的最大吸收波长gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
),振荡器的优点gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
fgydF4y2Ba
),最低激发能量(gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
),单体的主要配置表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba。在表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba、BDTTTP的最大吸收峰和BDTTTO属于问乐队相比BDTTBT和红移gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
值降低,从而获益电子跃迁,而这些BDTTTPD和BDTTFPD蓝移。一般来说,更大的振荡器的优点gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
fgydF4y2Ba
),电子跃迁概率较大。如表所示gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,振荡器的优点gydF4y2Ba
(gydF4y2Ba
fgydF4y2Ba
)研究了单体都大于0.61,和BDTTTPD是最大的一个(0.96)的所有gydF4y2Ba
fgydF4y2Ba。结合图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba和表gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,我们发现的主要配置的最大波长父分子属于单电子转换和源自人类LUMO主要分配到gydF4y2Ba
πgydF4y2Ba→gydF4y2Ba
πgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
过渡;如图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,电子从供体转移(BDT)受体(TBT, TTP,参加,TTPD TFPD)。gydF4y2Ba
相比BDTTBT的实验和理论的吸收光谱,我们发现PBDTTBT广泛和强烈的吸收光谱。此外,设计共聚物广泛和强烈的吸收,和他们有较小的跃迁能的可见区域。因此,这些设计共聚物也有良好的收获来自太阳的光子通量的能力。gydF4y2Ba
3.4。前沿分子轨道gydF4y2Ba
前沿分子轨道的性质(fmo)的聚合物和光伏性能严重影响稳定。为了收获最大的来自太阳的光子通量和获得高短路电流(gydF4y2Ba
JgydF4y2BaSCgydF4y2Ba),能带(gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
)的聚合物应该介于1.3和1.9 eV (gydF4y2Ba
45gydF4y2Ba]。进一步,HOMO能级之间应该−−5.2和5.8 eV如果捐赠者可以持续稳定向从空气氧化,与此同时,LUMO水平之间应该−−3.7和4.0 eV如图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba。相反,开路电压(gydF4y2Ba
VgydF4y2BaOCgydF4y2Ba
)最终在PSC的不同捐赠者的HOMO和LUMO的受体gydF4y2Ba
12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
46gydF4y2Ba]。研究分子fmo是很有用的,因为相对水平的占领和虚拟轨道可以提供合理的定性适应症激子生成和分离的过程。gydF4y2Ba
光电转换过程图和能量水平的聚合物。(exp代表实验措施)的值。gydF4y2Ba
在目前的工作中,我们计算LUMO, HOMO能级的五个共聚物通过探索几个DFT方法。因为只有在B3LYP /我感觉值(d)和B3PW91/6-31G (d)水平接近的实验值PBDTTBT(表中给出详细的计算结果gydF4y2Ba
3 sgydF4y2Ba在补充材料);因此,我们只列出LUMO, HOMO能级图基于上述方法gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
在图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba,我们可以看到,在B3LYP /我感觉(d)水平(−5.01 eV)高于一个B3PW91/6-31G (d)水平(−5.11 eV),并计算两个值高于实验(−5.31 eV)之一。实验和计算值之间的差异大约是0.2 - -0.3 eV,实验和计算之间的不同的环境应该负责的区别。设计的共聚物,HOMO水平从B3LYP /我感觉(d)水平均高于相应的B3PW91/6-31G PBDTTBT (d)水平;此外,所有的人类的设计水平共聚物较低比PBDTTBT计算在同一水平;因此,我们预测,实验人类设计了共聚物的水平低于实验PBDTTBT之一(−5.31 eV),和设计比PBDTTBT共聚物具有较强的抗氧化性能。gydF4y2Ba
功率转换效率的公式:gydF4y2Ba
ηgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
×gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
在gydF4y2Ba
三个参数,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
FFgydF4y2Ba,直接确定太阳能电池的性能。参数,开路电压(gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
)在航空运输的过程中形成的,通常被用来估计的最大PCE [gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba]。如图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba,实验gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
(exp)时获得gydF4y2Ba
JgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
等于零的jv曲线。有两个模型来描述理论gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
:一个是metal-insulator-metal (MIM)模型(gydF4y2Ba
47gydF4y2Ba),另一个模型是人类gydF4y2BaDgydF4y2BalumogydF4y2Ba一个gydF4y2Ba抵消模型(gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
48gydF4y2Ba]。此外,罗等人建议gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
所描述的是一个组合MIM模型与人类吗gydF4y2BaDgydF4y2BalumogydF4y2Ba一个gydF4y2Ba补偿模型;在模型中,他们发现当功函数差(gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
ϕgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
dgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
)半岛的ITO电极范围−3和0电动车,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
扩大线性gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
ϕgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
dgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
规定的MIM模型。这个范围之外gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
依赖于人类gydF4y2BaDgydF4y2BalumogydF4y2Ba一个gydF4y2Ba抵消模型(gydF4y2Ba
49gydF4y2Ba]。在工作中,我们假设gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
ϕgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
dgydF4y2Ba
egydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
超出了范围−3和0电动车;因此,我们采用人类gydF4y2BaDgydF4y2BalumogydF4y2Ba一个gydF4y2Ba补偿模型,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
的共轭polymer-PCgydF4y2Ba70年gydF4y2BaBM太阳能电池可以估计(gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba]gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
egydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
HgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
BgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
UgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
0.3gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
egydF4y2Ba
是基本费用,gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
BgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
lgydF4y2Ba
UgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
=−4.3 eV(电脑吗gydF4y2Ba70年gydF4y2BaBM), 0.3 V是一个经验性因素抵消激子结合能[gydF4y2Ba
50gydF4y2Ba]。相比与实验和模拟gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
PBDTTBT值,模拟gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
低于测量一个0.51(在B3LYP /我感觉吗gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
级)和0.41 eV (B3PW91/6-31GgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
水平),这主要源于人类层面上模拟和实验的区别。为了比较gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
与PBDTTBT大小设计的聚合物,我们还模拟gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
OgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
由人类设计聚合物的价值观gydF4y2BaDgydF4y2BalumogydF4y2Ba一个gydF4y2Ba补偿模型。如图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
设计的共聚物比PBDTTBT之一是基于B3LYP或B3PW91更深层次的人类所引起的功能设计水平的共聚物。因此,四个设计共聚物承诺改善gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
ogydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
相对于PBDTTBT实验。gydF4y2Ba
3.5。电荷转移特性gydF4y2Ba
band-like理论的基础上,带宽(BW)和电子有效质量(gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
)是有益的参数预测聚合物的空穴和电子传输能力(gydF4y2Ba
51gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
53gydF4y2Ba]。载流子的有效质量乐队边缘代表流动是上涨的广场gydF4y2Ba
ħgydF4y2Ba乘以曲率的倒数gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
与gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
,制定被定义为gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
ℏgydF4y2Ba
∂gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
∂gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
流动的动力学模型(gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba
)由以下公式给出:gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
egydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
BW和gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
数据表gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba。根据能带理论,更广泛的BW,有效质量越小,和更大的流动性的动力学模型gydF4y2Ba
54gydF4y2Ba]。表中的数据gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba调查,PBDTTBT宽价带(0.25 eV),小gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
(−4.45×10gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)。通过使用相同的方法作为PBDTTBT,我们计算设计聚合物的带宽和有效质量和列表中的数据表gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
带宽(eV)和有效质量(gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
)。gydF4y2Ba
| 聚合物gydF4y2Ba |
导带gydF4y2Ba |
帷幔乐队gydF4y2Ba |
| BWgydF4y2Ba |
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
(×10gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)gydF4y2Ba |
BWgydF4y2Ba |
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
(×10gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)gydF4y2Ba |
| PBDTTBTgydF4y2Ba |
0.08gydF4y2Ba |
9.45gydF4y2Ba |
0.25gydF4y2Ba |
−4.45gydF4y2Ba |
| PBDTTTPgydF4y2Ba |
0.13gydF4y2Ba |
5.82gydF4y2Ba |
0.38gydF4y2Ba |
−2.91gydF4y2Ba |
| PBDTTTOgydF4y2Ba |
0.16gydF4y2Ba |
5.04gydF4y2Ba |
0.34gydF4y2Ba |
−2.91gydF4y2Ba |
| PBDTTTPDgydF4y2Ba |
0.03gydF4y2Ba |
12.6gydF4y2Ba |
0.33gydF4y2Ba |
−2.91gydF4y2Ba |
| PBDTTFPDgydF4y2Ba |
0.03gydF4y2Ba |
12.6gydF4y2Ba |
0.30gydF4y2Ba |
−3.29gydF4y2Ba |
表中的数据gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba设计调查,所有的聚合物有较宽的价带(PBDTTTO PBDTTTP: 0.38 eV: 0.34 eV, PBDTTTPD: 0.33 eV和PBDTTFPD: 0.30 eV)和小gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
(PBDTTTP:−2.91×10gydF4y2Ba4gydF4y2BaPBDTTTO:−2.91×10gydF4y2Ba4gydF4y2BaPBDTTTPD:−2.91×10gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,PBDTTFPD:−3.29×10gydF4y2Ba4gydF4y2BaPBDTTBT相比)。此外,PBDTTTP和PBDTTTO也有更广泛的导带和小gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
比PBDTTBT;然而,PBDTTTPD和PBDTTFPD传导窄带宽,通过比较PBDTTBT价带宽。上述调查显示,所有设计聚合物有更好的洞比PBDTTBT传输特性;此外,PBDTTTP PBDTTTO有更好的电子传递性能比PBDTTBT通过传导带属性。gydF4y2Ba
3.6。激子解离gydF4y2Ba
后形成激子,激子传输到亲水界面。在接口中,激子分离与重组。激子解离和电荷复合评估使用马库斯理论[gydF4y2Ba
55gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba
(4)gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
πgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
hgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
BgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
经验值gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
BgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
重组的能量,gydF4y2Ba
VgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
是电子供体和受体之间的耦合,gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
是电子转移反应的自由能变化,gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
BgydF4y2Ba
玻耳兹曼常量,gydF4y2Ba
hgydF4y2Ba
是普朗克常数,gydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
温度(我们准备好了吗gydF4y2Ba
TgydF4y2Ba在我们的计算)= 298 K。激子的分离和重组,ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba=ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2BaCTgydF4y2Ba和ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba=ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2BaCRgydF4y2Ba,分别。电子耦合可以通过使用广义计算Mulliken-Hush (GMH)模型(gydF4y2Ba
56gydF4y2Ba]。在这项工作中,我们计算的比率激子分离率(gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
)和电荷复合率(gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
);因此,参数gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
主要是研究。gydF4y2Ba
重组能源gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
是由内部和外部重组能量。内部的平衡几何变化源于捐赠(D)和接受者(A)网站连续电子电荷的得失电子转移。外起源于电子和核极化/放松周围的介质。内部由两项组成gydF4y2Ba
(5)gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
(6)gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
(7)gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在这里,gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
是中性的能量受体的阴离子几何和最佳化子几何,分别和gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
,因此,能量的激进的阳离子中性几何和最佳的阳离子的几何形状。corrole-fullerene条件下双在非极性溶剂中,整体重组能量0.5 eV。因此,这里我们假设值为0.5 eV整体重组能源在我们的计算。研究聚合物的所有重组能量在表gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba。的重组能量PBDTTBT、PBDTTTP PBDTTTO, PBDTTFPD PBDTTTPD 0.69 eV除了0.67 eV。的gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
可以估计gydF4y2Ba
(8)gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
DgydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba
捐赠者的电离势和电子亲和能的受体,分别。计算ΔGgydF4y2BaCRgydF4y2Ba值是先后−1.76 eV,−1.92 eV,−2.10 eV,−2.09 eV,−2.15 eV PBDTTBT, PBDTTTP, PBDTTTO, PBDTTTPD, PBDTTFPD表所示gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba。如表所示gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba,我们也估计ΔGgydF4y2BaCTgydF4y2Ba值按照Rehm-Weller方程(gydF4y2Ba
57gydF4y2Ba]gydF4y2Ba
(9)gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
是游离碱的最低激发态的能量供体和gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
bgydF4y2Ba
激子结合能。计算gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
描述在表gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba,它们−0.31 eV (PBDTTBT)−0.14 eV (PBDTTTP)−0.29 eV (PBDTTTO)−0.21 eV (PBDTTTPD),−0.15 eV (PBDTTFPD)。根据估计的值gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
,我们计算的比率激子分离率和电荷复合率(gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
),的数据gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
表中列出gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba表明PBDTTBT大gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
(1.62×10gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。此外,设计聚合物PBDTTTP PBDTTTO, PBDTTPD, PBDTTFPD大gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
值(2.36×10gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,2.13×10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,1.90×10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba和2.70×10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba比PBDTTBT、职责),这表明,聚合物有更好的设计比PBDTTBT激子的能力。gydF4y2Ba
重组(gydF4y2Ba
λgydF4y2Ba
、激子离解能gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
),电荷复合能量(gydF4y2Ba
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
),激子分离率和电荷复合率的比率(gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
),和外部量子效率(EQE)。gydF4y2Ba
| 聚合物gydF4y2Ba |
PBDTTBTgydF4y2Ba |
PBDTTTPgydF4y2Ba |
PBDTTTOgydF4y2Ba |
PBDTTTPDgydF4y2Ba |
PBDTTFPDgydF4y2Ba |
|
λgydF4y2Ba
(eV)gydF4y2Ba |
0.69gydF4y2Ba |
0.69gydF4y2Ba |
0.69gydF4y2Ba |
0.67gydF4y2Ba |
0.69gydF4y2Ba |
|
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
(eV)gydF4y2Ba |
−1.76gydF4y2Ba |
−1.92gydF4y2Ba |
−2.10gydF4y2Ba |
−2.09gydF4y2Ba |
−2.15gydF4y2Ba |
|
ΔgydF4y2Ba
GgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
(eV)gydF4y2Ba |
−0.31gydF4y2Ba |
−0.14gydF4y2Ba |
−0.29gydF4y2Ba |
−0.21gydF4y2Ba |
−0.15gydF4y2Ba |
|
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
TgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
CgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
|
1.62×10gydF4y2Ba6gydF4y2Ba |
2.36×10gydF4y2Ba7gydF4y2Ba |
2.13×10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba |
1.90×10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba |
2.70×10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba |
| EQEgydF4y2Ba |
1.3%gydF4y2Ba |
4.1%gydF4y2Ba |
3.8%gydF4y2Ba |
3.7%gydF4y2Ba |
3.6%gydF4y2Ba |
3.7。外部量子效率gydF4y2Ba
根据Scharber等人2006年的研究gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba),太阳能电池的外部量子效率(EQE)隙有关能源和前沿分子轨道能级的假设下,任何对短路电流的贡献从光子吸收的富勒烯是被忽视的gydF4y2Ba
FFgydF4y2Ba设置为65%。EQE计算数据表列出所有研究的聚合物gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba。从表gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba,我们可以看到,所有设计聚合物的EQE值大于3.5%(特别是PBDTTTP: 4.1%)和比PBDTTBT (1.3%)。gydF4y2Ba
总之,设计聚合物,特别是PBDTTTP,比PBDTBT有更好的光电性质;因此,设计的聚合物是高分子BHJ有前途的候选人。gydF4y2Ba