电子受体材料PC61BM和PC71BM的电子结构、振动谱和分子间结合

摘要

近几年体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSC）的活性层材料研究发展迅速，各类给体材料和受体材料层出不穷。作为最初始发现的高效率受体材料，PC61(71)BM（全称(6,6)-苯基-C61(71)-丁酸甲酯）的地位还不可替代。所以本文从理论和实验两方面围绕PC61BM和PC71BM孤立分子以及晶体开展基本物理性质研究。
　　我们通过PC61BM和PC71BM的三种存在状态近似地获得它们在BHJ-OSC中的电子态。先计算了PC61BM和PC71BM孤立的基态电子结构，详细分析了支链对碳笼电子态的影响。接着计算了PC61BM单晶的能带色散和态密度，发现对应着C60 LUMO和HOMO的能带色散很小，但更深一点的能带（HOMO以下0.5eV开始）由于支链与邻近分子的作用而明显加宽，相互作用可能包括分子间氢键。对PC61BM薄膜的光电子能谱测量表明无溶剂的高纯样品电离能为6.10eV。
　　通过理论计算和拉曼、红外光谱实验相结合对PC61BM和PC71BM分子的振动频率进行了仔细分析。实验中测量到的红外吸收峰主要来自支链的振动，尤其是丁酸甲酯部分；而测量到的拉曼吸收峰主要来自碳笼的振动。这两种分子的拉曼光谱和支链上C=O伸缩振动的红外吸收非常适合用来研究分子间的相互作用。
　　基于以上研究结果，我们利用PC61BM的晶体结构以及C=O伸缩振动的红外吸收峰充分论证了PC61BM固体中氢键的存在。分子间氢键能解释了为什么PC61BM有液态，而C60没有；同时也有助于理解在BHJ-OSC中PC61(71)BM受体和聚合物给体的相分离现象。
　　最后，我们介绍了用溶剂挥发法生长PC71BM晶体的过程和表征。PC71BM能够结合成单晶，但三种异构体的存在导致单晶质量不是太高。

目录

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致谢

第一章 绪论

1.1 PC61BM和PC71BM的历史和应用背景

1.2其它富勒烯类受体分子

1.3 BHJ-OSC工作原理

1.4本文工作内容和意义

参考文献:

第二章 实验技术和计算原理

2.1 光电子能谱

2.2 热分析方法

2.3 红外和拉曼光谱

2.4 X射线衍射法

2.5 透射电子显微镜

2.6 DFT计算

参考文献

第三章 PC61BM和PC71BM的电子结构

3.1引言

3.2 PC61BM和PC71BM孤立分子的基态电子结构

3.3 PC61BM晶体的电子结构

3.4 PC61BM薄膜的光电子能谱研究

3.5 本章小结

参考文献

第四章 PC61BM和PC71BM的红外和拉曼光谱

4.1引言

4.2计算和实验细节

4.3结果和讨论

4.4本章小结

参考文献

第五章 PC61BM固体中的氢键

5.1 引言

5.2氢键简介

5.3研究方案

5.4结果和讨论

5.5结论

参考文献

第六章 PC71BM晶体生长

6.1引言

6.2实验部分

6.3实验结果和分析

6.4 结论

参考文献

总结

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