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系統識別號 U0002-2307200914581300
中文論文名稱 以咔唑為主體的共軛聚合物其光電性質對有機太陽能電池的研究
英文論文名稱 Theoretical Studies of the Electronic and Optical properties of the Carbazole-Based Conjugated Polymers for Organic Solar Cell
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 侯朝竣
研究生英文姓名 Chao-Jiun Hou
電子信箱 696160745@s96.tku.edu.tw
學號 696160745
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-08
論文頁數 95頁
口試委員 指導教授-王伯昌
委員-江志強
委員-邱鴻麟
委員-李世元
中文關鍵字 有機太陽能電池  咔唑  能隙 
英文關鍵字 energy gap  solar cell  carbazole 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 近年來咔唑(carbazole)為主體的衍生物,已經在許多光電材料上被廣泛的應用,而其主要的吸收光譜接近於可見光光譜,對於應用在太陽能電池上有不錯的吸收係數,許多研究聚合物的科學家也將其應用於太陽能電池的材料中。
本論文主要以咔唑為主體,而設計出五種不同的共聚物,進而探討其電子結構與光學性質,一開始先用DFT/B3LYP搭配6-31G*的基底函數計算單體數為n=1~4時結構的最佳化,接著再將最佳化的結構以TD-DFT/B3LYP/6-31G*與ZINDO方法求得其EHOMO、ELUMO與Eg,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,接著再將n=1~4的能隙值作出線性關係,經由外插法求得共聚物的能隙,進一步得到共聚物的能隙值,再將三種不同的能隙值與實驗值比較,可得到Eg(TD)的能隙與實驗值趨勢吻合且較為接近,再將五種共聚物經TD-DFT/B3LYP/6-31G*所得吸收光譜結果,探討五種共聚物在第一激發態所吸收的波長,其中二種主要吸收波長到達紅光的波長,另三種則是已到達近紅外光的波長,之後再將寡聚物以HF/3-21G算出基態(S0)時的最佳化結構再由CIS/3-21求得激發態(S1)的最佳化結構,最後再以TD/B3LYP/3-21G算出放射光的波長,發現其中四種共聚物的主要放射波長都在可見光範圍,只有一種出現在紅外光的範圍,對於在有機發光材料可能也有不錯的應用。
本研究中也提供了一種太陽能電池材料的設計方法,也設計了三種可能的太陽能電池材料,對於未來應用在設計太陽電池的材料為一種好的建議。

英文摘要 Recently years, carbazole’s derivatives has been used in photoelectric material generally,and it’s absorption spectrum with solar spectral match. so using in solar cell material will have well absorption coefficient, several alternating polymeric structures have been investigated to carbazole’s derivatives for solar cell applications.
This thesis are design the carbazole-based conjugated polymers and uses theoretical and computational methods DFT/B3LYP and basis set 6-31G* to optimize the derivatives structure than uses the TD/B3LYP/6-31G* and ZINDO to calculated the energy level, so we will get three different energy gap value, Eg(DFT)、Eg(TD)and Eg(ZINDO)
, than we will get the oligomer n=1~4 energy gap value to find the linear equations, and use the extrapolation method to get the n=∞ energy gap, the Eg(TD)method is most close the experimental value. And we calculated the five oligomer with TD/B3LYP/3-21G to get absorption spectrum, and we will find three kind of oligomer have visible light absorption and two kind of oligomer have near IR absorption. Finally, we use HF/3-21G to calculate excited state structure and TD/B3LYP/3-21G to calculate emission spectrum, and the emission wavelength are between visible light range, so we can speculation the material may be a good photoelectric material.
This investigate to provide a good method to design the solar cell material and design three kind of material, For feature it’s will be a good direct to design solar cell material.
論文目次 目錄
頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VIII
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 有機太陽能電池之發展 9
1-3 有機太陽能電池發電原理 12
1-4 有機太陽能電池的優點 14
1-5 研究動機 16
第二章 原理與方法 19
2-1 量子力學 19
2-2薛丁格方程式 20
2-3 波爾—歐本海莫 23
2-4 計算理論與方法 24
2-4-1 基底函數組 25
2-4-2 基底函數組效應 27
2-4-3 Hartree — Fock方程式 31
2-4-4密度泛函數理論 36
2-4-5 單一激發組態作用 40
2-4-6 ZINDO 方法 41
2-4-7 TD 關鍵字 42
第三章 研究設備 45
3-1 硬體設備 45
3-2 軟體設備 48
第四章 結果與討論 51
4-1幾何結構探討 51
4-1-1 (Qx)n寡聚合物(n=1~4)的幾何結構 54
4-1-2 (BT)n寡聚合物(n=1~4)的幾何結構 55
4-1-3 (TQ)n寡聚合物(n=1~4)的幾何結構 55
4-1-4 (TP)n寡聚合物(n=1~4)的幾何結構 56
4-1-5 (TP-Ph)n寡聚合物(n=1~4)的幾何結構 57
4-2 寡聚合物的EHOMO、ELUMO和EGAP的探討 63
4-2-1 寡聚物之EHOMO、ELUMO與EGAP之探討 63
4-2-2 共聚物之EHOMO、ELUMO與EGAP之探討 71
4-3 吸收光譜 76
4-4 放射光譜 82
第五章 結論 86
參考文獻 88
附表1~3 90
附圖1~5 91
表 目 錄
表4-1 各寡聚物與共聚物之命名 53
表4-2 以DFT/B3LYP/6-31G*計算(Qx)n之寡聚物所得兩面角與分子內鍵長 58
表4-3 以DFT/B3LYP/6-31G*計算(BT)n之寡聚物所得兩面角與分子內鍵長 59
表4-4 以DFT/B3LYP/6-31G*計算(TQ)n之寡聚物所得兩面角與分子內 60
表4-5 以DFT/B3LYP/6-31G*計算(TP)n之寡聚物所得兩面角與分子內鍵長 61
表4-6 以DFT/B3LYP/6-31G*計算TP-Ph之寡聚物所得兩面角與分子內鍵長 62
表4-7以DFT/B3LYP/6-31G*與半經驗計算出五種寡聚物之HOMO、LUMO、Eg(DFT)、Eg(TD)與Eg(ZINDO) 64
表4-8經外插法求得所有共聚合物的EHOMO、ELUMO、EGAP與實驗值 74
表4-9 以TD-DFT和ZINDO計算出(Qx)n(n=1~4)得到的電子轉移數據77
表4-10 以TD-DFT和ZINDO計算出(BT)n(n=1~4)得到的電子轉移數據
78
表4-11 以TD-DFT和ZINDO計算出(TQ)n(n=1~4)得到的電子轉移數據 79
表4-12 以TD-DFT和ZINDO計算出(TP)n(n=1~4)得到的電子轉移數據 80
表4-13 以TD-DFT和ZINDO計算出(TP-Ph)n(n=1~4)得到的電子轉移數據 81
表4-14 以CIS結構配合TD-DFT計算(Qx)n ( n=1,2)的電子第一激發態放射波長 83
表4-15 以CIS結構配合TD-DFT計算(BT)n(n=1)的電子第一激發態放射波長 84
表4-16 以CIS結構配合TD-DFT計算(TP)n(n=1)的電子第一激發放射波長 84
表4-17 以CIS結構配合TD-DFT計算(TP-Ph )n(n=1)的電子第一激發態放射波長 85
表4-18 以CIS結構配合TD-DFT計算(TQ)n(n=1)的電子第一激發態放射波長 85

圖 目 錄
圖1-1 未來再生能源以太陽光熱發電為電源供應主力 2
圖1-2 第一、二、三代太陽能電池成本效率之分析 4
圖1-3 染料敏化太陽能電池結構圖 7
圖1-4 可撓式的有機高分子太陽能電池元件示意圖 9
圖1-5 有機太陽能電池結構演進 12
圖1-6太陽能電池之工作原理 14
圖1-7共軛高分子主要結構設計 17
圖1-7 咔唑結構與結構上的編號 18
圖4-1 以咔唑為主體加入不同取代基之聚合物 52
圖4-2 五種共聚物﹙n=1~4﹚的電子雲分布圖 66
圖4-3 (BT)n之Eg(DFT)對1/n作圖 71
圖4-4 (BT)n之Eg(TD)對1/n作圖 72
圖4-5 (BT)n之Eg(ZINDO)對1/n作圖 72
圖4-6 五種寡聚物經由DFT方法求得能隙與1/n作圖 75
圖4-7 五種寡物經由TD方法求得能隙與1/n作圖 75
圖4-8 五種寡物經由ZINDO方法求得能隙與1/n作圖 75

參考文獻 參考文獻

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