Molecular Level Understanding of Conjugated Organic Solar Cell Materials: a Computational Study

Abstract

Orgaanisista valosähköisistä sovelluksista polymeeriaurinkokennoilla (PSC) on potentiaalia kevyinä, kustannustehokkaina, joustavina ja läpinäkyvinä laitteina. Paljon työtä on tehty PSC:een tehokkuuksiin vaikuttavien tekijöiden tutkimiseksi ja ymmärtämiseksi. PSC-systeemien elektronirakennetutkimuksissa käytettävien mallien ja menetelmien huolellinen valitseminen on välttämätöntä π-konjugoituneiden PSC-materiaalien tarkkaan kuvaamiseen.

Tässä väitöskirjassa on tutkittu tehokkaita PSC-systeemejä tiheysfunktionaaliteoria (DFT) -menetelmillä. Tutkitut systeemit käsittävät fullereenipohjaiset PSC:t, joissa on käytetty donori–akseptori (D–A) -kopolymeerejä elektronidonoreina (eD) ja fullereenijohdannaisia elektroniakseptoreina (eA). Lisäksi on tutkittu uusia, ei-fullereeni (NF) -systeemejä, joissa on käytetty joko D–A-kopolymeerejä tai pienmolekyyliakseptoreja. Työssä on käytetty sekä oligomeerisia että periodisia malleja ja tutkittu globaalihybridisten, pitkän matkan korjattujen (LRC) ja optimaalisesti säädettyjen (OT) LRC funktionaalien soveltuvuutta. Työn tavoitteena on ollut löytää sopivat työkalut PSC-systeemien mallintamiseen saavuttaen samalla tarkempaa ymmärrystä PSC-yhdisteiden ominaisuuksista ja vuorovaikutuksista, joilla on merkitystä PSC:iden suorituskykyyn.

Periodisen DFT-menetelmän havaitaan olevan hyödyllinen työkalu D–A-kopolymeerien mallinnuksessa. Funktionaali ja dispersiokorjaukset vaikuttavat huomattavasti tutkittujen PSC-systeemien tuloksiin. Dispersiokorjattu OT-LRC funktionaali kuvaa parhaiten yksittäisiä PSC-yhdisteitä ja niiden paikallisia rajapintoja. Useamman viritystilan huomioiminen ja dispersiokorjatun OT-LRC funktionaalin käyttäminen johtavat vakioituneisiin sähköisen kytkennän arvoihin. Funktionaalilla ja molekyylien keskinäisellä sijainnilla on suuri vaikutus varauksensiirron nopeuksiin. Työstä saadut tiedot toimivat suuntaviivoina menetelmien valinnalle tulevissa PSCsysteemien laskennallisissa tutkimuksissa, mutta antavat myös hyödyllistä tietoa uusien NF PSC -materiaalien suunnittelussa.

Among different organic photovoltaic technologies, polymer solar cells (PSCs) have potential as light-weight, cost-effective, flexible, and transparent devices. A great amount of work has been carried out in developing and understanding the factors governing the efficiencies of PSCs. In the electronic structure studies of PSC systems, the careful selection of models and methods employed in theoretical calculations is essential for an accurate description of the π-conjugated PSC materials.

In this thesis, the efficient PSC systems have been examined with the density functional theory (DFT) methods. The studied compounds include fullerene-based PSCs, which combine donor–acceptor (D–A) copolymers as electron donor (eD) and fullerene derivatives as electron acceptor (eA) materials. Emerging non-fullerene (NF) devices, which make use of D–A copolymers or small-molecule acceptors, have been also studied. Both oligomeric and periodic copolymer models have been considered and the performance of global hybrid, non-tuned long-range corrected (LRC), and optimally tuned (OT) LRC functionals have been investigated. The aim has been to find suitable tools for modeling PSC systems, while gaining more understanding of the characteristics of PSC compounds and their interactions that impact the performance of PSCs.

The periodic DFT method is found to be a useful tool in modeling of the D–A copolymers. Both the functional and dispersion corrections impact greatly the results predicted for the studied PSC systems. The dispersion corrected OT-LRC functional gives the best description of the individual PSC compounds and their local interfaces. Both the multi-state treatment and dispersion corrected OT-LRC functional result in more constant electronic coupling values. The charge transfer rates are found to be strongly dependent on both the functional and relative orientation of the eD and eA compounds. These findings serve as guidelines for the selection of methods in future theoretical studies of PSC systems, but also provide beneficial information for designing and developing new materials for emerging NF PSCs.