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| 系統識別號 |
U0002-0507201013522400 |
| 中文論文名稱
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噻吩及其衍生物的高分子性質對異質接面結構(BHJ)太陽能電池的理論計算研究 |
| 英文論文名稱
|
Theoretical Studies of Polythiophene and It’s Derivatives for Bulkheterojunction Solar Cells |
| 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 |
98 |
| 學期 |
2 |
| 出版年 |
99 |
| 研究生中文姓名 |
林哲緯 |
| 研究生英文姓名 |
Che-Wei Lin |
| 學號 |
695160605 |
| 學位類別 |
碩士 |
| 語文別 |
中文 |
| 口試日期 |
2010-06-24 |
| 論文頁數 |
101頁 |
| 口試委員 |
指導教授-王伯昌
委員-鄧金培
委員-邱鴻麟
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| 中文關鍵字 |
異質接面太陽能電池
太陽能電池
噻吩
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| 英文關鍵字 |
BHJ
Bulkheterojunction solar cell
polythiophene
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| 學科別分類 |
學科別＞自然科學＞化學
|
| 中文摘要 |
聚噻吩為一擁有高共軛系統的結構，常將其應用在有機太陽能電池材料的予體。改變其主鏈上的取代基或是原子，使這些改變對於聚合物產生的結構、吸收波長與能隙造成影響。討論這些影響是否適合用在有機異質結構太陽能電池材料上。
使用計算方法DFT/b3lyp/6-31g*，計算聚噻吩與其衍生物的結構，藉著計算的結果試著討論取代基或是原子對於聚噻吩產生的影響，其中增加聚合物的共振性將會使能隙降低，這將會有利於電子受到陽光激發而產生要遷，增加太陽能轉換成電能的機會，越多組的共軛雙鍵有利於吸收波長紅位移，吸收的波長範圍越廣，所能產生轉換為電能的波長就越多，也就有利於使太陽能轉換為電能。以及試著將衍生物的能階(HOMO、LUMO)與常用太陽能電池受體PCBM的能階比較，而這些結果將可以作為往後進行有機太陽能電池受體材料開發的參考依據。
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| 英文摘要 |
Polythiophene belongs to a highly π-conjugated polymer. It is often used to be the donor on the bulkheterojunction organic solar cell. Changed the substituting group or atom in electron-donating molecule in BHJ solar cell can affect the structure, the absorption spectrum and the energy gap. And discussing these effects can offer the researchers to design a suitable electron-donating material which applied in BHJ solar cell.
In this study, structures of the polythiophene and its derivatives are calculated used DFT/b3lyp/6-31g* method. We had discussed these substituted effects on the polythiophene and polymers with significant conjugated character will let the energy gap to be lower. This property is good for electron to be excited by sunlight and improve the solar-energy -to-electricity efficiency. Polythiophene derivatives with highly π-conjugated character will let the absorption spectrum more extensive, and also increase the opportunity to convert solar energy to electricity energy. Comparing energy level of HOMO and LUMO of the polythiophene derivatives with those of PCBM, which is often be used to be an accepter on the bulkheterojuction solar cell.These results can be the reference to researchers for developing a novel BHJ solar cell.
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| 論文目次 |
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 6
1-2-3 共軛高分子太陽能電池 9
1-2-4 共軛高分子(Conjugated Polymer) 11
1-2-5 有機太陽能電池之發展 11
1-3 最佳的電池 14
1-3-1 Low band gap polymers 15
1-4 研究動機 17
第二章 原理與方法 18
2-1 量子力學（quantum mechanics）[13,14] 18
2-1-1 薛丁格方程式（the Schrödinger equation） 20
2-1-2 波爾—歐本海莫（Born-Oppenheimer）近似法 22
2-1-3 多電子波函數 23
2-1-4 矩陣力學 24
2-2 計算方法（computation method） 25
2-2-1 基底函數組（basis set） 29
2-2-2 基底函數組效應（basis sets effect） 31
2-2-3 Hartree — Fock方程式 36
2-2-4 密度泛函數理論（density function theory）[20] 40
2-3 半經驗計算方法 43
2-3-1 AM1 44
第三章 結果與討論 46
3-1 (Tp)n型高分子衍生物 50
3-1-1 結構分析 50
3-1-2 吸收光譜 54
3-1-3 能隙 58
3-1-4 (Tp)n型高分子衍生物總論 60
3-2 (TF)n型高分子衍生物 61
3-2-1結構分析 61
3-2-2 吸收光譜 64
3-2-3 能隙 66
3-2-4 (TF)n型高分子衍生物總論 68
3-3 (DTTT)n型高分子衍生物 70
3-3-1 結構分析 70
3-3-2 吸收光譜 72
3-3-3 能隙 76
3-3-4 (DTTT)n型高分子衍生物總論 77
3-4 (VT)n高分子衍生物 78
3-4-1 結構分析 78
3-4-2 吸收光譜 80
3-4-3 能隙 83
3-4-4 (VT)n型高分子衍生物總論 84
3-5 (CPDT)n型高分子衍生物 86
3-5-1結構分析 86
3-5-2吸收光譜 90
3-5-3能隙 93
3-5-4 (CPDT)n型高分子衍生物總論 95
第四章 結論 97
參考文獻 100
表 目 錄
表3-1 所研究的高分子名稱 46
表3-2 (Tp)n、(HTp)n＇、(MTp)n 各結構鍵長與兩面角(deg:∘,r:Å)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
51
表3-3 (OT-co-DOT)n 與(TpTz)n 各結構鍵長與兩面角(deg:∘,r:Å)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
53
表3-4 (Tp)n 型高分子衍生物最大吸收光譜值( 單位:nm)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
54
表3-5 各分子鍵長(單位:Å) (DFT/b3lyp/6-31g*) 56
表3-6 n=4 時的其他吸收光譜值(DFT/b3lyp/6-31g*) 57
表3-7 PT 型高分子衍生物n=2~8 及∞時的HOMO、LUMO 計算值(單
位:eV)(DFT/b3lyp/6-31g*)
58
表3-8 (TF)n、(TTp)n、(TP)n 當n=2、3、4 時單體間的兩面角，與
連接兩單體的鍵結長度(deg:∘,r:Å)(DFT/b3lyp/6-31g*)
62
表3-9 PMTTz 與PMPTz 當n=2、3、4 時單體間的兩面角，與連接兩
單體的鍵結長度(deg: ∘, r: Å)(DFT/b3lyp/6-31g*)
63
表3-10 第一類高分子當n=1、2、3、4 時，以TDDFT 計算出的吸收光
譜值(單位:nm)(DFT/b3lyp/6-31g*)
64
VII
表3-11 n=4 時的其他吸收光譜值(DFT/b3lyp/6-31g*) 66
表3-12 PTF 型高分子衍生物當n=1~4 及∞時，HOMO 與LUMO 的計算值
(單位:eV)(DFT/b3lyp/6-31g*)
67
表3-13 第四類高分子的兩面角與鍵長
(deg:∘,r:Å)(DFT/b3lyp/6-31g*)
71
表3-14 各n 值的吸收光譜值計算(單位:nm)(DFT/b3lyp/6-31g*) 72
表3-15 n=4 時的其他吸收光譜值(DFT/b3lyp/6-31g*) 75
表3-16 n=1~4 及∞時的HOMO、LUMO 計算值 76
表3-17 (VT)n 高分子衍生物各結構鍵長與兩面角(deg:∘,r:Å)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
79
表3-18 各n 值的吸收光譜值計算(單位:nm) (DFT/b3lyp/6-31g*) 80
表3-19 n=4 時的其他吸收光譜值(DFT/b3lyp/6-31g*) 82
表3-20 n=1~4 及∞時的HOMO、LUMO 計算值(單位:eV)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
83
表3-21 (CPDT)n 與(DTP)n 的兩面角與鍵長(deg:∘,r:Å)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
87
表3-22 各環間的兩面角以及環間的鍵長(deg:∘,r:Å)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
89
VIII
表3-23 第三類分子各n 值的吸收光譜值計算(單位:nm)
(DFT/b3lyp/6-31g*)
90
表3-24 n=4 時的其他吸收光譜值(DFT/b3lyp/6-31g*) 93
表3-25 (CPDT)n 型高分子衍生物各n 值的HOMO、LUMO 計算值
(DFT/b3lyp/6-31g*)
94
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 染料敏化太陽能電池構造圖 7
圖1-3 可撓式的有機高分子太陽能元件 8
圖1-4 a.單層結構 b.雙層結構 9
圖1-5 c.混合式異質接面結構 d.排列式異質接面結構 10
圖1-6 常用donor 材料 10
圖1-7 常用acceptor 材料 11
圖1-8 電子予體及電子受體材料之LUMO差值對光電轉換率影
響圖
15
圖1-9 電子予體材料能隙值改變對光電轉換率之影響圖 16
圖1-10 高分子聚合物能隙與光子吸收能力圖 16
圖1-11 電子予體能隙值改變對光電轉換率之影響圖 17
圖3-1a (Tp)n 型高分子衍生物 47
圖3-1b (TF)n 型高分子衍生物 47
圖3-2 (DTTT)n 型高分子衍生物 48
圖3-3 (VT)n 型高分子衍生物 48
圖3-4 (CPDT)n 型高分子衍生物 48
X
圖3-5 各代號示意圖 51
圖3-6 最大吸收波長與1/n 做圖 55
圖3-7 (Tp)n (n=8)、(OT-co-DOT)n (n=8)、(TpTz)n (n=8)之
結構
56
圖3-8 不同原子雙鍵與單鍵的鍵長(單位:Å) 56
圖3-9 (Tp)n 型高分子衍生物與PCBM 能隙比較
60
60
圖3-10 PTF 型高分子衍生物結構代號示意圖 61
圖3-11 (TF)n、(TTp)n、(TP)n 各鍵長(單位:Å) 62
圖3-12 第一類高分子當n=1、2、3、4 時的吸收光譜值(nm)與1/n
做圖，並做出趨勢線，預測當n=∞時的吸收光譜值。
64
圖3-13 (TF)n 型高分子衍生物與PCBM 能隙比較 68
圖3-14(1) (DTTT)n 各代號示意圖 70
圖3-14(2) (DTT)n 各代號示意圖 70
圖3-15 吸收光譜值與1/n 做圖 73
圖3-16 PTTp 單體是由兩個噻吩相連而成 73
圖3-17 PDTTT 與PDTT 中參予共振的鍵 74
圖3-18 (DTTT)n 型高分子衍生物與PCBM 能隙比較 77
圖3-19 結構上的代號示意圖 78
XI
圖3-20 (DVP)n 中碳氮鍵鍵長 80
圖3-21 吸收光譜值與1/n 做圖 81
圖3-22 (VT)n 型高分子衍生物在n=∞時與PCBM 能隙比較 84
圖3-23 (CPDT)n 86
圖3-24 (DTP)n 87
圖3-25 連接原子與周圍鍵結的鍵長 88
圖3-26 五環與甲基間的角度 88
圖3-27 (CPDTBT)n 的結構示意圖以及代號所表示的意義 89
圖3-28 吸收光譜值與1/n 做圖 90
圖3-29 接上苯環與接上BT 的差別 92
圖3-30 各高分子與PCBM 比較 94
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| 參考文獻 |
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[26]Theoretical Investigation of Polythiophene by Density Functional Theory with Periodic Boundary Conditions 淡江大學 梁昭崇 2006 碩士論文
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