有机太阳能电池/有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的模拟

摘要

有机小分子及聚合物材料为基础的有机太阳能电池具有材料分子结构可设计性、质量轻、制造成本低、柔性等优点，已成为新型太阳能电池研究的热点之一。有机太阳能电池中光活性层的形貌是影响其性能的关键。本文通过关联密度泛函理论，分子动力学，耗散粒子动力学等方法，对P3HT-PC61BM体系的聚合物太阳能电池和以有机小分子DR3TBDT为给体，PC71BM为受体的有机小分子太阳能电池的活性层形貌进行介观尺度相分离，相分离尺寸，效率。有序参数的计算模拟。
　　本文对于聚合物太阳能电池，我们主要研究聚合物P3HT分子量和侧链的长度，还有不同添加剂对活性层形貌和区域半径的影响。同时，我们还模拟了实验当中观察不到的溶液旋涂成膜时形貌的演变过程。对于有机小分子太阳能电池，我们主要探讨给体受体的最佳比例，添加剂聚二甲基硅氧烷(PDMS)对活性层形貌的作用，对最适合用于做添加剂的PDMS的聚合度进行研究。有机-无机杂化钙钛矿材料是由有机分子和无机分子自组装形成的，其具有ABX3晶型的奇特结构，此类材料能同时高效完成入射光的吸收、载流子的激发、运输、分离等多个过程，并且其具有结构简单，能量转换效率高，低成本温和条件制备等优点，近年来发展极为迅速，获得学术界的广泛关注。自2009年钙钛矿太阳能电池首次被提出，效率为3.8％到目前的19.3％，这种发展速度前所未有，值得研究者的高度重视。采用基于密度泛函理论的CASTEP程序采用GGA-PBE泛函，对正交结构的ABX3(A:CH3NH3+; B:Pb2+，Sn2+;X:I-，Br-，Cl-)有机-无机杂化钙钛矿材料进行电子学性能的计算模拟。首先通过建立能够反映这类材料一般性结构的模型来计算其电子学性能，并进行比较分析找出其中的规律。该部分主要从以下三个方向进行计算：研究无机部分金属元素的变化对晶体结构及电子性能的影响；研究无机部分卤素元素的改变以及掺杂对晶体结构及电子性能的影响；探讨甲氨基阳离子对晶体结构及电子性能所起的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 有机太阳能电池的简介

1．2．1 工作原理

1．2．2 有机太阳能电池的活性层材料

1．2．3 活性层形貌的重要性及影响因素

1．3 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的简介

1．3．1 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的结构和工作原理

1．3．2 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的材料结构

1．4 本文研究的目的及意义

第二章 计算模拟的原理及方法

2．1 材料计算模拟的产生及发展

2．2 用于模拟有机太阳能电池形貌的原理及方法

2．2．1 耗散粒子动力学简介

2．2．2 耗散粒子动力学原理

2．2．3 高分子的粗粒化模型

2．2．4 溶解度参数的计算

2．2．5 形貌描述符的应用

2．2．6 有序参数的应用

2．3 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池电子性能的计算原理及方法

2．3．1 基于第一性原理的方法

2．3．2 密度泛函理论

2．3．3 计算软件的介绍

第三章 P3HT的分子量和侧链的长度对活性层形貌影响的DPD模拟

3．1 模拟参数的确定

3．2 模拟基于溶液旋涂成膜过程及添加剂存在的情况下形貌演变过程

3．3 不同分子量的P3HT作为给体对活性层形貌以及激子扩散距离的影响

3．4 研究改变P3HT侧链长短对活性层形貌的影响

3．5 研究不同添加剂对使用不同分子量P3HT作给体的活性层形貌以及激子扩散距离的影响程度

3．6 本章小结

第四章 以有机小分子作为给体，PC71BM作为受体的体系的太阳能电池活性层形貌的DPD模拟

4．1 模拟参数的确定

4．2 研究给体与受体的最佳比例

4．3 研究适合做添加剂的PDMS的最佳聚合度及PDMS对形的作用

4．4 本章小结

第五章 对CH3NH3B(XmI1-m)3(B=Sn，Pb；X=C1，Br)电子学性能的DFT模拟

5．1 模型的建立

5．2 计算方法及主要内容

5．3 计算结果及分析

5．3．1 研究无机部分金属元素对晶体电子学性能的影响

5．3．2 研究无机部分卤素原子的改变以及掺杂对晶体电子学性能的影响

5．3．3 探讨甲氨基阳离子对晶体结构及电子学性能的作用

5．4 本章小结

总结

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢