聚噻吩及其衍生物的第一性原理研究

摘要

有机太阳能电池是当前研究的热点，其普遍采用的是本体异质结结构。结构中的给受体材料分别为较常见的聚噻吩及其衍生物(P3HT)和富勒烯及其衍生物(PCBM)。本文主要研究给体材料的光电性能。通过引入取代基的方法，对聚合物进行化学修饰，从而改善它的导电性。在此，选择聚噻吩作为母体材料，通过引入甲基，苯并噻唑取代基来提高它的电导性。
　　(1)通过VASP计算软件，计算聚噻吩的能带结构，态密度分布，光学介电常数等，得到它的带隙是介于半导体和绝缘体之间，且能带结构在布里渊区边缘处是两两联接的，与其它聚合物相比，具有导电优越性，可以作为有机电池的材料被利用。但是，由于自身的结构特点，导电性不是很好，所以希望借助化学掺杂的方法来减小聚合物的带隙，提高它的导电性。
　　(2)可以掺杂的取代基有很多，首先选择常见的烷基-甲基取代。但是随着取代基链长的增加，导电性改变不大，所以选择较小的甲基取代。通过计算，得出平面结构的甲基噻吩的带隙是最小的，且略小于聚噻吩的，光学性质上也有其优越性，但是改变的不是很多。电导率不仅在X轴方向有峰值，在Y轴方向上也有较大的占有值，比聚噻吩单纯的X轴方向有优势。
　　(3)第二种取代基是苯并噻唑。它具有大的共轭性结构，且有与母体材料相似的原子组成。通过计算软件包VASP，得出它的一些结构特征。与上述两种聚合物相比，能隙进一步减小，电子态密度杂化态增多，吸收，反射强度在数值上相对应的增加和减小，红外电导率的峰值对应的波长也在趋于可见光区范围，作为电池材料，比之前的两种聚合物都要有应用价值。
　　通过对聚噻吩进行取代基的掺杂，来达到减小它的带隙值，提高电子的轨道杂化，增强其红外电导率的目的。那么选择具有共轭结构，与聚噻吩主链形成供-给电子结构的取代基可以达到以上的目标。利用该结论进一步指导实验，尝试更多的取代基来修饰导电聚合物材料，从而提高它们的导电性能。

目录

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摘要

图目录

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 有机太阳能电池的介绍

1．1．2 有机太阳能电池的工作原理

1．1．3 有机太阳能电池结构和组成

1．2 有机导电聚合物的简介

1．2．1 导电聚合物的介绍

1．2．2 本论文选择的导电聚合物

1．2．3 有机聚合物的导电机理

1．2．4 改善有机聚合物导电性能的方法

1．3 本论文的研究思想和结构安排

2 计算的理论基础和方法

2．1 第一性原理

2．1．1 计算物理理论

2．1．2 第一性原理简介

2．2 多电子体系的薛定谔(Schrodinger)方程

2．2．1 Born-Oppenheimer近似

2．2．2 Hartree-Fock(HF)近似

2．3 密度泛函理论

2．3．1 Hohenberg-Kohn定理

2．3．2 Kohn-Sham方程

2．3．3 确定交换关联项的近似方法

2．4 计算使用的软件

2．4．1 VASP软件包

2．4．2 其他主要软件

3 聚噻吩的第一性原理计算

3．1 引言

3．1．1 常用的有机聚合物的简介

3．1．2 聚噻吩的简介

3．2 计算结果及讨论

3．2．1 聚噻吩的能带结构

3．2．2 聚噻吩的电子态密度分布

3．2．3 聚噻吩的光学性质的研究

3．3 计算过程中的细节描述

3．4 本章小结

4 聚噻吩衍生物的计算与比较

4．1 引言

4．2 甲基噻吩的计算及与聚噻吩的比较研究

4．2．1 甲基噻吩的能带计算

4．2．2 甲基噻吩的态密度分析

4．2．3 甲基噻吩的光学性质研究

4．3 苯并噻唑噻吩的计算和比较

4．3．1 苯并噻唑噻吩与甲基噻吩，聚噻吩态密度分布研究

4．3．2 苯并噻唑噻吩与前两者的光学性质研究

4．4 本章小结

5 对今后的工作以及前景的展望

参考文献

致谢