從奈米尺度的形態衍變探討PT:PCBM混合異質接面太陽能電池的最佳化光電性質研究

Abstract

本研究利用粗粒化分子動力學模擬，透過先前實驗室學長的聚噻吩全原子系統的模擬得到高分子分子間與分子內的作用力參數，並結合李正光博士的[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的全原子模擬，使用Mixing Rule的方式，得到所有的參數；在模擬方面，我們改變聚噻吩系列不同的侧鏈的接枝密度以及接枝長度，材料有四種接枝密度，分析接枝密度及接枝長度在不同混摻比例下，對於光電性質的影響與原因，還有形態上的差異性。分析的方式採用了包淳偉老師與李正光博士的做法並改進，將系統做切割成格子，再根據質量的大小判斷格子所代表種，進行後續的分析，簡化了分析的困難度，在接觸面積以及穿透率的部份，不考慮侧鏈，因為對於兩者是沒有影響的，但是在域的尺寸就要納入考慮，這種方式會更貼近實際情況；模擬的結果發現，隨著侧鏈接枝密度的改變，在接觸面積會隨著接枝密度的改變根據結構的改變有不同變化，當侧鏈間的空隙足夠[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的穿入，與主鏈直接接觸時，接觸面積會大大的提升；在穿透率的方面，發現隨著接枝密度的下降而提升，因為接枝密度的下降表示主鏈對外的接觸面積變多，主鏈間又容易互相吸引，域的尺寸隨著接枝密度的上升而上升，因為侧鏈能夠有效增加域的尺寸。

The bulk heterojunction morphology of thiophene-based polymers / [6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester (PCBM) with various blending ratio, grafting density and length of alkyl side-chains are systematically simulated by the coarse-grained molecular dynamics (CGMD) simulations. All the intramolecular and intermolecular parameters are obtained through combination with parameters of ours and paper by mixing rules. The thiophene-based polymers have three different grafting density, and we changed the blending ratio of polymer and PCBM to observe the correlation of photovoltaic properties and morphologies. We adopted Pao’s and Lee’s method to analyze photovoltaic properties in our system by cutting system box to many grids. The interfacial-to-value changed with the side-chain density and the molecular structure. The percolation ratio increased with decreasing the grafting density, resulting from contact probability between main-chain. The domain size increased wih the grafting density of side-chains increasing because of the increase of domain size by increase of side-chain density.