调节二噻吩并吡咯给体分子的光电性能以用于有机太阳能电池

摘要： 对有机太阳能电池（OSC）物理性质的理论分析对于揭示光电转换效率（PCE）、结构与性能之间的关联至关重要。本研究以二噻吩并吡咯（DTP）作为富电子给体单元，结合不同类型的π桥和端基受体单元，设计合成了五种新型A-D-A型小分子M1-M5。采用MPW1PW91/6-31G(d,p)理论水平优化所有分子几何结构，使用TD-MPW1PW91/6-31G(d,p)理论水平进行激发态计算。通过与参考化合物R对比，系统研究了设计分子（M1-M5）的几何结构、电子结构、偶极矩、开路电压、重组能及电荷传输特性。结果表明：M1、M2、M3和M5的HOMO能级较参考分子R更低（M4能级较高），更有利于电子给体作用；所有分子的LUMO能级因桥连单元和受体基团的吸电子效应而略高。其中M1具有最大的HOMO-LUMO能隙（2.48 eV），M3能隙最小（2.11 eV）。除M1外，所有设计分子的电子转移速率参数λe值均较低，表明其电子转移速率高于R。除M1外，设计分子的偶极矩均高于参考分子R，这种高偶极矩特性有利于提升有机溶剂溶解性，对太阳能电池器件制备具有积极意义。除M4的开路电压（Voc）与R相当外，其余设计分子的Voc值均更高。研究表明，合理选择电子给受基团对提升OSC光电转换效率具有重要作用。