探討新穎非富勒烯小分子受體材料二環戊烷並苯二噻吩衍生物之分子結構設計對光電性質的影響

游天侑

doi:10.6342/NTU201704186

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探讨新颖非富勒烯小分子受体材料二环戊烷并苯二噻吩衍生物之分子结构设计对光电性质的影响

Structure Design and Photoelectric Properties of Novel Non-Fullerene Acceptors Based on Small Molecule Indacenodithiophene Derivatives

游天侑 , 硕士　　导师：黄庆怡　　

繁体中文 DOI： 10.6342/NTU201704186

非富勒烯小分子受体；二环戊烷并苯二噻吩衍生物；量子力学；全原子分子动力学；光电性质； non-fullerene small molecule acceptor ； indacenodithiophene derivatives ； quantum mechanics ； molecular dynamics ； photoelectric properties

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摘要 │ 参考文献 (88) │ 国际计量

摘要〈TOP〉

本研究选择新颖的非富勒烯A−D−A型小分子受体材料二环戊烷并苯二噻吩衍生物为研究对象，并采用全原子模型，结合分子动力学与量子力学二种模拟方法来探讨不同末端受体单元对光电性质的影响。我们从分子构型出发，并分析一系列包括光捕获效率、能阶、能隙、吸光频谱及电负度等光电性质，藉此了解末端电子受体单元对於A−D−A型二环戊烷并苯二噻吩衍生物光电性质的影响。
首先在构型模拟上我们针对3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2′,3′-d′]-s-indaceno[1,2 b:5, 6-b′]dithiophene(IDTT_DCI)进行量子力学及溶液无序状态下分子动力学两种方法的模拟，基於两种模拟方法的构型，进一步求得模拟UV-vis吸收光谱，与文献实验值比较後我们推测实际UV-vis吸收光谱可能是同时由主链构型较规整的IDTT_DCI(QM)及构型较扭曲的IDTT_DCI (MD)所贡献，可分别对应到实验主峰中的最大吸收峰与肩峰，当主链构型越扭曲时，主要吸收峰越蓝移。我们认为考虑溶剂环境且经由等温动态平衡後之构型是更加接近真实的情形，因此後续研究中IDT衍生物构型均利用分子动力学方法来取得。
进一步，我们探讨一系列IDT衍生物之构型及光电性质。首先在构型部份，引入不同末端电子受体单元主要影响主链上扭转角度，当末端电子受体与芳香核结构间存在较大的立体障碍时，会导致主链的扭转；在侧链部份则因空间中侧链与末端电子受体立体障碍较小，影响的幅度并不大。在能阶方面，随着末端电子受体单元拉电子能力越强，IDT衍生物有越高的LUMO能阶，当与予体材料P3HT匹配後随之有越高的Voc，同时影响激子有效分离的参数〖∆E〗_HOMO及〖∆E〗_LUMO均大於0.3 eV，亦说明基於能阶的考量上，IDTT_BT有最高的Voc与良好的激子分离效果。在电负度结果中，可发现在此改质IDT衍生物之末端电子受体单元相较於P3HT均有较高的电负度，说明其适合作为受体材料，且在结构类似的IDTT_DCI、IDTT_ID及IDTT_TZD中随着拉电子能力越强，电负度越高；针对结构相似的IDTT_NTz及IDTT_BT也有同样的趋势。吸收频谱方面，改质末端电子受体明显改变IDT衍生物之主要吸收峰及吸收范围；而末端电受体对於振子强度及光捕获效率也有些微幅度的影响。在此Jsc考量因素较为复杂且并未观察到固定的趋势，因此初步未总结出何者会有较高的Jsc。此外，虽然在本研究中并未讨论到主动层混掺型态甚至FF的影响，但我们探讨了其中影响Voc及Jsc的因素，期许藉由本模拟所归纳出的趋势与结果，能帮助实验研究学者合成的设计方向与思考重点，发掘出潜在有应用性的非富勒烯受体材料。

并列摘要〈TOP〉

A class of A−D−A type non-fullerene acceptor materials based on small molecule indacenodithiophene(IDT) derivatives used in organic solar cell has been designed and investigated by means of all-atom molecular dynamics(AAMD) and quantum mechanical methods(QM). To gain a better understanding of the effects of terminal acceptors on the modulation of photoelectric properties of these A−D−A molecules, the geometrical structure, light harvesting efficiency, energy level, bandgap, absorption spectrum, and electronegativity are analyzed.
The geometrical structure of 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone)-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2′,3′-d′]-s-indaceno[1,2-b:5, 6-b′]-dithiophene(IDTT_DCI) is simulated by AAMD and QM methods to get IDTT_DCI(MD) and IDTT_DCI(QM). The disordered IDTT_DCI(MD) exhibited a much larger degree of distortion out of coplanarity along the main chain direction, leading to a blue-shift absorption behavior compared with much ordered IDTT_DCI(QM). We speculated that the actual UV-vis absorption spectrum may be simultaneously contributed by the IDTT_DCI (QM) and the more distorted IDTT_DCI (MD), which can correspond to the wavelength of maximum absorbance and the shoulder at the lower wavelength. Also, we assume that the equilibrated molecular structure predicted from equilibrium dynamics of the solvent environment is closer to the real experimental conditions. Therefore, the MD simulation method is adapted for the geometries of the IDT derivatives.
Introduction of different terminal acceptors mainly affects the torsional angle on the main-chain due to the existence of larger steric hindrance between core structure and terminal acceptor. The calculated energy level results indicate that with the incorporation of stronger electron withdrawing building block, the IDT derivatives show higher LUMO level and higher Voc when paired with P3HT. Also, according to the energy matching relationship, the designed acceptor IDTT_BT is well-matched with P3HT, which not only guarantee the effective exciton dissociation but also maintain the higher Voc. The electronegativity results also show similar trends, compared to P3HT, IDT derivatives show higher electronegativity which are suitable to be as acceptor materials. In the absorption spectrum, terminal acceptors have strong correlation with main absorption peak and absorption range, and little effect on oscillator strength and light harvesting efficiency. Since factors affect Jsc are more complicated than Voc and inconsistent trend are observed from the results of optical properties of IDT derivatives; thus we can not surely say which material will have higher Jsc. Though effects of morphology or FF are not considered, still we investigate the factors influencing Voc and Jsc, hope these results can help researchers explore the potential candidates of non-fullerene acceptor materials for organic solar cells.

参考文献 ( 88 ) 〈TOP〉

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