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系統識別號 U0002-0107201411563700
中文論文名稱 D-π-A-π-D型異質接面太陽能電子予體材料之理論計算探討
英文論文名稱 D-π-A-π-D Type of Electron Donor Molecules for Bulk Heterojunction Solar Cells Materials : Theoretical Investigations
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 謝淳安
研究生英文姓名 Chun-An Hsieh
學號 601160467
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-17
論文頁數 110頁
口試委員 指導教授-王伯昌
委員-江志強
委員-李世元
中文關鍵字 太陽能電池  理論計算 
英文關鍵字 DFT  BHJ  Gaussian  Solar Cells 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 設計不同的電子受體片段、電子予體片段和π共軛連結基組合成應用於異質接面太陽能電池材料之四個系列共28個的D-π-A-π-D形式電子予體分子,接著利用理論計算的方法(DFT/B3LYP/6-31G(d)、DFT/BHandHLYP/6-31G(d))分析分子的結構、電子特性、吸收光譜、光捕獲效益、電洞重組能、分子軌域分析等數據,探討不同予體片段對於分子的影響,並且搭配文獻所提供的實驗值,進而找出較為適合作為異質接面太陽能電池材料的分子,供實驗學者參考。
結果發現,4種系列之電子予體分子均有良好的電子特性以及光學性質,其中在吸收光譜方面具有較寬廣的吸收光範圍以及紅位移程度最好的最大吸收波長,在電洞重組能方面,具有電洞傳輸材料的特性,根據計算所得結果,推論DCPT及MDTP所組成的電子予體分子,適合做為太陽能電池的電子予體材料。
英文摘要 In this study, we designed four types of electron-donating molecules (D-π-A-π-D) applied in bulk heterojunction solar cells, which consisted of different kind of electron donating fragments, electron accepting fragments and π-conjugated linkers. We selected the DFT/B3LYP/6-31G(d) and TD-DFT/ BHandHLYP/6-31G(d) method to investigate the structure (selected bond lengths and dihedral angles), electronic (energy of HOMO, LUMO and energy different between HOMO and LUMO), optical properties (calculated absorption spectrum, related oscillator strength, related molecular transitions), and photovoltaic properties (hole reorganization energy, light harvesting efficiencies) and pDOS analysis for HOMO and LUMO.
According to calculation results, designed D-π-A-π-D molecules composed exhibit well electronic properties and optical properties. Among these molecules, the D-π-A-π-D molecules which used DCPT or MDTP to be the electron-donating fragment have the better performance which compared with other molecules.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能電池的種類介紹 2
1-2-1 無機太陽能電池 3
1-2-2 有機太陽能電池 5
1-3 異質接面太陽能電池(Bulk Heterojunction Solar Cells)的發展 11
1-4 影響太陽能電池之效能 13
1-5 文獻回顧 19
1-6 研究動機 21
第二章 原理與方法 23
2-1 理論計算 23
2-2 計算方法(Computational Method) 25
2-2-1 密度泛函數理論 25
2-2-2 基底函數組(Basis sets) 30
2-2-3 基底函數組效應 32
第三章 結果與討論 38
3-1 予體分子片段分析 38
3-2 MTPD受體片段搭配π共軛連結基(MTP)的予體 42
分子系統
3-2-1 分子幾何結構與電子結構 43
3-2-2 吸收光譜與光捕獲效益(LHE)分析 49
3-2-3 分子軌域分析(pDOS) 54
3-2-4 電洞重組能(λ_hole)分析 57
3-3 BTD受體片段搭配π共軛連結基(MTP)的予體 59
分子系統
3-3-1 分子幾何結構與電子結構 60
3-3-2 吸收光譜與光捕獲效益(LHE)分析 66
3-3-3 分子軌域分析(pDOS) 70
3-3-4 電洞重組能(λ_hole)分析 73
3-4 BDTC受體片段搭配π共軛連結基(TP)的予體 74
分子系統
3-4-1 分子幾何結構與電子結構 75
3-4-2 吸收光譜與光捕獲效益(LHE)分析 80
3-4-3 分子軌域分析(pDOS) 84
3-4-4 電洞重組能(λ_hole)分析 87
3-5 DPM受體片段搭配π共軛連結基(DMTP)的予體 88
分子系統
3-5-1 分子幾何結構與電子結構 89
3-5-2 吸收光譜與光捕獲效益(LHE)分析 94
3-5-3 分子軌域分析(pDOS) 99
3-5-4 電洞重組能(λ_hole)分析 102
第四章 結論 104
參考文獻 107

圖目錄

圖1-1 German Advisory Council on Global Change 對未來
能源供應主要來源的預測。 2
圖1-2 半導體太陽能電池。 3
圖1-3 矽晶片太陽能電池。 4
圖1-4 薄膜太陽能電池。 5
圖1-5 染料敏化太陽能電池發電原理示意圖。 6
圖1-6 染料敏化太陽能電池。 8
圖1-7 PCBM、MDMO-PPV與P3HT結構示意圖。 9
圖1-8 異質接面太陽能電池的運作原理。 9
圖1-9 雙層異質接面太陽能電池示意圖。 11
圖1-10 太陽能電池電流電壓關係圖。 13
圖1-11 Voc和HOMO、LUMO關係的示意圖。 15
圖1-12 電洞轉移的重組能示意圖。 18
圖3-1 分子片段能階比較圖。 39
圖3-2 分子片段結構、名稱及縮寫。 41
圖3-3 MTPD搭配π共軛連結基(MTP)之予體分子系列結構
之鍵長、兩面角示意圖。 45
圖3-4 MTPD搭配π共軛連結基(MTP)之予體分子系列吸收
光圖譜。 53
圖3-5 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算MTPD搭配π共軛
連結基。 56
圖3-6 BTD搭配π共軛連結基(MTP)之予體分子系列結構之
鍵長、兩面角示意圖。 62
圖3-7 BTD搭配π共軛連結基(MTP)之予體分子系列吸收
光譜圖。 69
圖3-8 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BTD搭配π共軛連結
基(MTP)之予體分子系列的HOMO予LUMO分子軌域圖。 72
圖3-9 BDTC搭配π共軛連結基(TP)的予體分子系列之結構
的鍵長、兩面角示意圖。 77
圖3-10 BDTC搭配π共軛連結基(TP)之予體分子系列吸收
光譜圖。 83
圖3-11 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BDTC搭配π共軛連
結基(TP)之予體分子系列的HOMO予LUMO分子軌域圖。 86
圖3-12 DPM搭配π共軛連結基(DMTP)之予體分子系列結構
之鍵長、兩面角示意圖。 91
圖3-13 DPM搭配π共軛連結基(DMTP)之予體分子系列吸收
光譜圖。 98
圖3-14 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算DPM搭配π共軛連結基
(DMTP)之予體分子系列的HOMO予LUMO分子軌域圖。 101

表目錄
表3-1 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算MTPD受體片段搭
配為π共軛連結基(MTP)之予體分子系列結構之鍵長(γ)、兩
面角(φ)之數據。 46
表3-2 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算MTPD搭配π共軛連
結基(MTP)之予體分子的E_HOMO、E_LUMO、E_g及V_oc。 47
表3-3 TD-DFT/B3LYP、TD-DFT/BHandHLYP與實驗值的
最大吸收波長比較。 50
表3-4 使用TD-DFT(BHandHLYP)/6-31G(d),計算MTPD
搭配π共軛連結基(MTP)之予體分子系列的吸收光譜。 50
表3-5 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算MTPD搭配π共軛
連結基(MTP)之予體分子系列的HOMO與LUMO之pDOS
(%)分析。 55
表3-6 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算MTPD搭配MTPπ共軛
連結基予體分子系列的電洞重組能(λ_hole)分析。 58
表3-7 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BTD受體片段搭配
π共軛連結基(MTP)的予體分子系列結構之鍵長(γ)、兩面角
(φ)之數據。 63
表3-8 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BTD搭配π共軛連結
基(MTP)之予體分子的E_HOMO、E_LUMO、E_g及V_oc。 65
表3-9 使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d),計算BTD搭配
π共軛連結基(MTP)之予體分子系列的吸收光譜。 66
表3-10 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BTD搭配π共軛連結
基(MTP)的予體分子系列的HOMO與LUMO之pDOS分析。 71
表3-11 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BTD搭配π共軛連結
基(MTP)之予體分子系列的電洞重組能(λ_hole)分析。 73
表3-12 使用DFT/B3LYP/6-31G(D)計算BDTC受體片段搭配
π共軛連結基(TP)之予體分子系列結構之鍵長(γ)、兩面角(φ)
之數據。 78
表3-13 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BDTC搭配π共軛連結
基(TP)之予體分子的E_HOMO、E_LUMO、E_g及V_oc。 79
表3-14 使用TD-DFT/BHandHLYP/6-31G(d),計算BDTC搭配
π共軛連結基(TP)之予體分子系列的吸收光譜。 80
表3-15 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BDTC搭配π共軛連結
基(TP)之予體分子系列的HOMO與LUMO之pDOS分析。 85
表3-16 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BDTC搭配π共軛連結
基(TP)之予體分子系列的電洞重組能(λ_hole)分析。 87
表3-17 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算DPM受體片段搭配
π共軛連結基(DMTP)之予體分子系列結構之鍵長(γ)、兩面角
(φ)之數據。 92
表3-18 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算BDTC搭配π共軛連結
基(TP)之予體分子的E_HOMO、E_LUMO、E_g及V_oc。 93
表3-19 使用TD-DFT(BHandHLYP)/6-31G(d),計算DPM搭配
π共軛連結基(DMTP)之予體分子系列的吸收光譜。 95
表3-20 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算DPM搭配π共軛連結基(DMTP)之予體分子系列的HOMO與LUMO之pDOS分析。 100
表3-21 使用DFT/B3LYP/6-31G(d)計算DPM搭配π共軛連結基(DMTP)之予體分子系列的電洞重組能(λ_hole)分析。 102



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論文使用權限
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