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系統識別號 U0002-0607201012354100
中文論文名稱 異質接面(BulkHeterojunction)太陽能電池予體材料的理論探討
英文論文名稱 Theoretical Studies of Donor Materials in the 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 吳羿諠
研究生英文姓名 Yi-Hsuan Wu
學號 697160785
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-30
論文頁數 113頁
口試委員 指導教授-王伯昌
委員-李世元
委員-何嘉仁
委員-江志強
中文關鍵字 理論計算  有機太陽能電池  能隙  波長 
英文關鍵字 DMOP  F  Eg 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 太陽能電池材料( bulk heterojunction, BHJ )需含有良好的共振系統,過去數十年來已有許多科學家嘗試出合成不同的化合物,然而在予體-受體這一類型的共軛聚合物方面,受體強度的影響似乎沒有廣泛的探討。本論文主要著重於計算( Dimethoxyphenylene與Fluorene )為予體在與不同受體所形成的寡聚物與共聚物而應用於異質接面( BHJ )太陽能電池的研究。
本文以2,5-dimethyloxyphenylene( DMOP )與flourene( F )為主體(予體),設計出八種不同的受體而形成寡聚物與共聚物。以DFT/B3LYP搭配6-31G*的基底函數計算結構的最佳化,經由理論計算結果來探討,當予體接上不同受體( X )時,結構會依照受體的強弱大小而造成兩面角的改變;接著選用三種計算方法( DFT、TD-DFT與ZINDO ),對單體與寡聚物做EHOMO、ELUMO與EGAP,會得到三種不同的能隙值Eg( DFT )、Eg( TD )和Eg( ZINDO ),當單體數增加時,Eg( DFT )、Eg( TD )和Eg( ZINDO )的能隙值都會逐漸降低,而寡聚物的能隙值也會依照受體強度的變化而有所變動,再將n = 1~4的能隙值由外插法求得共聚物的能隙值,以外插法計算的三種方法DFT、TD-DFT、ZINDO中,以TD-DFT計算結果的能隙值與實驗值較接近。寡聚物的吸收光譜也會因受體的改變而影響最大波長的分布情況與吸光範圍。經由能隙與光譜相互比較的結果,找出五種共聚物PDMOPTP、PDMOPDTTP、PDMOPDTBT、PFTP與PFDTTP其能隙值都介於1.40~1.90eV之間,且吸收波長都在可見光區甚至有些共聚物以達到紅外光的範圍,對於異質接面( BHJ )太陽能電池中也許會是一種具有發展性的材料。
英文摘要 Recently, donor-acceptor (D-A) conjugated copolymers have attracted considerable attention because their electronic and optoelectronic properties could be efficiently tuned by intramolecular charge transfer (ICT). However, the effects of acceptor strengths on the electronic and optoelectronic properties of donor-acceptor and donor-acceptor-donor copolymers have not been fully explored. Our study on the 2,5-dimethyloxyphenylene (DMOP) and fluorine (F)-based donor-acceptor polymers showed that the hole mobility was controlled by the acceptor strength and backbone coplanarity in the bulkheterojunction (BHJ) solar cell device.
We had selected eight donor-acceptor system and thiophene-acceptor-thiophene monomers/oligomers to investigate their electrochemical and photophysical properties. The geometrical structures and electronic properties of both monomers and oligomers are studied using three kinds of calculation methods. One, we used density functional theory (DFT/B3LYP) to calculate HOMO energies, LUMO energies and the HOMO-LUMO gaps (Eg) of these polymers. The lowest excitation energies and the maximal absorption wavelength λabs of the oligomers of these polymers and studied employing the time-dependent density functional theory (TDDFT) and semi-empirical method (ZINDO). According to our calculating result, some copolymers such as PDMOPTP, PDMOPDTTP, PDMOPDTBT, PFTP and PFDTTP exhibit more lower HOMO-LUMO gaps (Eg) than others and their absorption spectra can reach visible light to near-infrared region. Therefore we show five kinds of copolymers may be applied to the electron-donating materials in BHJ solar cells.
論文目次 頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 太陽能電池的種類 2
1.2.1 無機結晶矽太陽能電池 3
1.2.2 有機太陽能電池 7
1.3 有機高分子的發展 9
1.3.1 有機太陽能電池的原理 11
1.3.2 有機高分子之太陽能電池的發展 13
1.4 有機太陽能電池的優點 15
1.5 研究動機 16
第二章 原理與方法 19
2.1 量子力學 19
2.1.1 薛丁格方程式 20
2.1.2 波爾—歐本海莫近似法 21
2.1.3 多電子波函數 22
2.1.4 矩陣力學 24
2.2 計算方法 25
2.2.1 基底函數組 26
2.2.2 基底函數組效應 28
2.2.3 Hartree — Fock 方程式 33
2.2.4 密度泛函數理論 37
2.2.5 ZINDO 方法 41
2.2.6 TD 關鍵字 42
第三章 結果與討論 43
3.1 結構與能隙關係 45
3.1.1 寡聚合物( n = 1~ 4 )之幾何結構 45
3.1.2 寡聚合物能隙的探討 72
3.1.3 共聚物能隙探討 78
3.2 吸收光譜 87
第四章 結論 109
參考文獻 112

表 目 錄
頁次
表 1-1 太陽能電池的種類與效能 3
表 1-2 常見有機共軛高分子之結構 11
表 1-3 高分子有機太陽電池技術比較表 15
表 3-1 寡聚物與共聚物之命名( D : DMOP或F ) 44
表 3-2 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-P )n( n = 1~ 4 )寡
聚物所得鍵長與兩面角
46
表 3-3 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-Py )n( n = 1~ 4 )
寡聚物所得鍵長與兩面角
48
表 3-4 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-Q )n( n = 1~ 4 )寡
聚物所得鍵長與兩面角
49
表 3-5 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-BT )n( n = 1~ 4 )
寡聚物所得鍵長與兩面角
50
表 3-6 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-TP )n( n = 1~ 4 )
寡聚物所得鍵長與兩面角
52
表 3-7 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-DTQ )n( n = 1~ 4 )
寡聚物所得鍵長與兩面角
54
表 3-8 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-DTBT )n( n = 1~ 56
4 )寡聚物所得鍵長與兩面角
表 3-9 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( DMOP-DTTP )n( n = 1~
4 )寡聚物所得鍵長與兩面角
58
表 3-10 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-P )n( n = 1~ 4 )寡聚物
所得鍵長與兩面角
60
表 3-11 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-Py )n( n = 1~ 4 )寡聚物
所得鍵長與兩面角
61
表 3-12 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-Q )n( n = 1~ 4 )寡聚物
所得鍵長與兩面角
62
表 3-13 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-BT )n( n = 1~ 4 )寡聚物
所得鍵長與兩面角
63
表 3-14 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-TP )n( n = 1~ 4 )寡聚物
所得鍵長與兩面角
64
表 3-15 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-DTQ )n( n = 1~ 4 )寡聚
物所得鍵長與兩面角
65
表 3-16 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-DTBT )n( n = 1~ 4 )寡
聚物所得鍵長與兩面角
67
表 3-17 以DFT/B3LYP/6-31G*計算之( F-DTTP )n( n = 1~ 4 )寡
聚物所得鍵長與兩面角
表 3-18 DFT/B3LYP/6-31G*與半經驗計算出八種寡聚物
( DMOP-X )n之EHOMO、ELUMO、Eg( DFT )、Eg ( TD )與
Eg( ZINDO )
74
表 3-19 DFT/B3LYP/6-31G*與半經驗計算出八種寡聚物( F-X )n
之EHOMO、ELUMO、Eg( DFT )、Eg ( TD )與Eg( ZINDO )
76
表 3-20 PDMOP-X八種共聚物的能隙值與實驗值 79
表 3-21 八種寡聚物經Eg( TD )計算值其線性方程式與R2值 79
表 3-22 八種寡聚物經Eg( TD )計算值其線性方程式與R2值 80
表 3-23 八種寡聚物經Eg( ZINDO )計算值其線性方程式與R2值 80
表 3-24 PFX八種共聚物的能隙值與實驗值 83
表 3-25 DMOP-X八種寡聚物經Eg( DFT )計算值其線性方程式
與R2值
83
表 3-26 DMOP-X八種寡聚物經Eg( TD )計算值其線性方程式與
R2值
83
表 3-27 DMOP-X八種寡聚物經Eg( ZINDO )計算值其線性方程
式與R2值
84
表 3-28 TD-DFT 計算出( DMOP-P )n( n = 1~4 )得到吸收波長與
分子軌域躍蹮貢獻值
88
表 3-29 TD-DFT計算出( DMOP-Py )n( n = 1~4 )得到吸收波長與89
分子軌域躍蹮貢獻值
表 3-30 TD-DFT計算出( DMOP-Q )n( n = 1~4 )得到吸收波長與
分子軌域躍蹮貢獻值
90
表 3-31 TD-DFT計算出( DMOP-BT )n( n = 1~4 )得到吸收波長與
分子軌域躍蹮貢獻值
92
表 3-32 TD-DFT計算出( DMOP-TP )n( n = 1~4 )得到吸收波長與
分子軌域躍蹮貢獻值
93
表 3-33 TD-DFT計算出( DMOP-DTQ )n( n = 1~4 )得到吸收波長
與分子軌域躍蹮貢獻值
94
表 3-34 TD-DFT計算出( DMOP-DTBT )n( n = 1~4 )得到吸收波
長與分子軌域躍蹮貢獻值
96
表 3-35 TD-DFT計算出( DMOP-DTTP )n( n = 1~4 )得到吸收波
長與分子軌域躍蹮貢獻值
97
表 3-36 TD-DFT計算出( F-P )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分子軌
域躍蹮貢獻值
99
表 3-37 TD-DFT計算出( F-Py )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分子
軌域躍蹮貢獻值
100
表 3-38 TD-DFT計算出( F-Q )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分子
軌域躍蹮貢獻值
表 3-39 TD-DFT計算出( F-BT )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分子
軌域躍蹮貢獻值
102
表 3-40 TD-DFT計算出( F-TP )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分子
軌域躍蹮貢獻值
103
表 3-41 TD-DFT計算出( F-DTQ )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分
子軌域躍蹮貢獻值
104
表 3-42 TD-DFT計算出( F-DTBT )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分
子軌域躍蹮貢獻值
105
表 3-43 TD-DFT計算出( F-DTTP )n( n = 1~4 )得到吸收波長與分
子軌域躍蹮貢獻值


圖 目 錄
頁次
圖 1-1 多晶矽太陽能電池外觀 5
圖 1-2 非晶矽太陽電池外觀 5
圖 1-3 染料敏化太陽能電池之工作原理 8
圖 1-4 有機高分子太陽能電池元件構造圖 12
圖 1-5 高分子太陽能電池的 ( a ) 雙層發電原理;( b ) 元件結

13
圖 1-6 Dimethoxyphenylene與fluorene的結構圖 17
圖 3-1 兩種予體和八種受體的結構與名稱 44
圖 3-2 ( DMOP-P ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 46
圖 3-3 ( DMOP-Py ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 47
圖 3-4 ( DMOP-Q ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 48
圖 3-5 ( DMOP-BT ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 50
圖 3-6 ( DMOP-TP ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 51
圖 3-7 ( DMOP-DTQ ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 54
圖 3-8 ( DMOP-DTBT ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 56
圖 3-9 ( DMOP-DTTP ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 58
圖 3-10 ( F-P ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 59
圖 3-11 ( F-Py ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 60
圖 3-12 ( F-Q ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 61
圖 3-13 ( F-BT ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 62
圖 3-14 ( F-TP ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 63
圖 3-15 ( F-DTQ ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 65
圖 3-16 ( F-DTBT ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 67
圖 3-17 ( F-DTTP ) n( n = 1~ 4 )結構示意圖 69
圖 3-18 DMOP-X八種寡聚物經由DFT方法求得能隙與1/n作圖 80
圖 3-19 DMOP-X 八種寡聚物經由TD-DFT 方法求得能隙與1/n
作圖
81
圖 3-20 DMOP-X八種寡聚物經由ZINDO方法求得能隙與1/n作

81
圖 3-21 F-X八種寡聚物經由DFT方法求得能隙與1/n作圖 84
圖 3-22 F-X八種寡聚物經由TD-DFT方法求得能隙與1/n作圖 84
圖 3-23 F-X八種寡聚物經由ZINDO方法求得能隙與1/n作圖 85
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