دراین تحقیق، بررسی خواص ساختاری، الکترونی و نوری الیگوسلنوفن¬های (OS)n=1-15با پیکربندی سین و آنتی و الیگو 3و4- اتیلن¬دی¬اکسی¬سلنوفن (OEDOS)n=1-12 با پیکربندی آنتی به عنوان دهنده در سلول¬های خورشیدی ناهمسان با استفاده از محاسبات کوانتومی انجام شده است. ویژگی¬های ساختاری و الکترونی در مواد مورد بررسی، با بکارگیری سطح نظری B3LYP/6-311G(d) ارزیابی شده¬اند. روش TDDFT در سطح محاسباتی مشابهی برای مطالعه¬ی خواص نوری بکار برده شده است. تناوب طول پیوند (BLA)، سطوح انرژی HOMO-LUMO، شکاف انرژی الکترونی (Eg,ele)، شکاف انرژی نوری (Eg,opt)، طیف جذبی UV˗vis ، طول موج ماکزیمم (λmax)، بازده دریافت نوری (LHE) و زمان عمر اکسایتون (τ)الیگومرهای ذکر شده مورد بررسی قرار گرفته شدند. نتایج نشان می¬دهد کهبا افزایش طول زنجیر در الیگومرها، در هر دو پیکربندی سین و آنتی، پارامتر BLA کاهش یافته است. به عبارت دیگر افزایش طول زنجیر باعث افزایش عدم استقرار الکترون¬های π و بهبود درجه¬ی مزدوج شدگی شده است. در نتیجه، سطوح انرژی HOMO و LUMO به یکدیگر نزدیک¬تر شده و شکاف انرژی الکترونی (Eg,ele) و همچنین شکاف انرژی نوری (Eg,opt) کاهش یافته است. همچنین، با افزایش طول زنجیر جابه¬جایی قرمز در طول موج ماکزیمم صورت می¬گیرد و در نتیجه بازده دریافت نوری (LHE) افزایش می¬یابد. به علاوه، در (OS)n=2-15 و (OEDOS)n=2-12 با پیکربندی آنتی، با افزایش طول زنجیر زمان عمر اکسایتون الیگومر روند کاهشی را نشان می¬دهد در حالیکه در (OS)n=2-15 با پیکربندی سین روند خاصی دیده نشد. با توجه به نتایج بدست آمده می¬توان نتیجه¬گیری کرد که الیگوسلنوفن-های(OS)n=14,15 با پیکربندی سین می¬توانند به عنوان دهنده¬های مناسبی¬ در سلول¬های خورشیدی ناهمسان توده¬ای (BHJ) انتخاب شوند. در ادامه تاثیر استخلاف¬های الکترون دهنده و الکترون کشنده-های مختلفی از جمله C4H9، F، CN و NO2، روی سطوح انرژی اوربیتال¬های HOMO˗LUMO و شکاف انرژی الکترونی (Eg,ele) در الیگومر (OEDOS)n=2 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که استخلاف NO2 تاثیر مطلوبی بر روی خواص الکترونی دارد.
به منظور مدلسازی لایه¬ی فعال در سلول¬های خورشیدی ناهمسان توده¬ای (BHJ)، فولرن¬های C60، C70، PC60BM و PCBDAN به عنوان پذیرنده در نظر گرفته شدند. کمپلکس¬های (OS)n=14/C60،(OS)n=14/C70، (OS)n=14/PC60BM و (OS)n=14/PCBDAN به عنوان مدلی از لایه¬ی فعال در سلول خورشیدی ناهمسان توده¬ای، انتخاب و خواص الکترونی و نوری آن¬ها مورد مطالعه قرار گرفته شد. نتایج نشان داد که بازده این کمپلکس¬ها براساس نمودار شاربر به طور تقریبی به ترتیب برابر با 8% ، %2/8 ، %3/9 و %7/9 می¬باشد. بررسی نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که (OS)n=14/PCBDAN به عنوان سلول خورشیدی نسبت به دیگر کمپلکس‌ها گزینه مناسب‌تری می‌باشد. همچنین، به منظور بررسی تاثیر طول زنجیر الیگومر بر خواص سلول خورشیدی، خواص الکترونی و نوری کمپلکس (OS)n=12/C60 نیز مورد مطالعه قرار گرفت. مقایسه¬ی خواص الکترونی و نوری و مقادیر بدست آمده برای بازده در کمپلکس¬های (OS)n=12/C60و (OS)n=14/C60 (%7/7 و %8 به ترتیب) نشان داد که کمپلکس (OS)n=14/C60 گزینه¬ی مناسب¬تری برای مدلسازی لایه¬ی فعال در سلول خورشیدی ناهمسان توده¬ای (BHJ) می¬باشد.
 

در این مطالعه ویژگی‌های ساختاری و الکترونی هتروفولرن‌های C59M [M= B, Al, Ga, Si, Ge, N, P, As] و فولرن C60 با استفاده از محاسبات تئوری تابعیت چگالی MPW1PW91/6-31G(d))) مورد بررسی قرار گرفت. بررسی شکاف انرژی و انرژی اتصال برای ساختارها در هر گروه نشان داد که واکنش پذیری و پایداری ترمودینامیکی همه فولرن ها نسبت به C60 اندکی کاهش پیدا کرده است. با توجه به نتایج به‌دست آمده، در هرگروه هتروفولرن‌های با هترو اتم کوچک‌تر پایداری ترمودینامیکی بیشتر و هتروفولرن‌های با هترواتم بزرگ‌تر واکنش‌پذیری کمتری دارند. برای C59N و C59B بیشترین انرژی اتصال و برای C59Ga بیشترین شکاف انرژی به‌دست آمد. همچنین بار جزیی اتمی برای تمام ساختارها با سه روش هرشفیلد، مولیکن و NBO محاسبه شد. نتایج نشان داد جهت انتقال بار از هترواتم به اتم‌های کربن است و هترواتم‌ها بار جزیی مثبت دارند. لازم به ذکر است که برای C59N که به دلیل الکترونگاتیویته‌ی بالای نیتروژن نسبت به کربن، بار نیتروژن منفی و اتم‌های کربن مجاور آن مثبت محاسبه شد. از دیگر پارامترهای مورد بررسی طول پیوند است که برای تمام ساختارها به جز C59N افزایش یافت و درجه پیوند نسبت به فولرن C60 کاهش داشت. بعد از بررسی هتروفولرن‌ها، با توجه به اثرات مخرب آلاینده‌های هوا مثل SO2 و CO2، برهمکنش فولرن خالص و هتروفولرن‌ها با این دو مولکول مورد مطالعه قرار گرفت. در بخش دوم سه حالت برای قرارگیری SO2 در نظر گرفته شد (الف: از سمت اکسیژن، ب: از سمت گوگرد، پ: به صورت افقی). مولکول SO2 در فاصله Å 2 از هتروفولرن‌ها بدون هیچ قیدی قرار داده شد. بیشترین برهمکنش برای ساختارهایی دیده شد که SO2 از سر اتم‌های اکسیژن به هترواتم‌ها نزدیک شده است. نتایج نشان داد که فولرنC60 با انرژی جذب 758/4- ، جذب فیزیکی بسیار ضعیفی برای SO2 نشان داد. در حالی که جذب SO2 بر روی C59Al، C59Ga و C59Si با انرژی‌های جذب 275/98- تا 675/193- در محدوده جذب شیمیایی قوی قرار می گیرد. برای ساختارهای C59Ge و C59P هم جذب فیزیکی قوی برای مولکول SO2 به ترتیب با انرژی‌های جذب 362/46- و 260/40- مشاهده شد. در ادامه مولکول CO2 به عنوان یک مولکول غیرقطبی برای برهمکنش با هتروفولرن‌ها بررسی شد. برای قرار‌گیری CO2 یک حالت در نظر گرفته شد که طی بهینه‌سازی فقط C59Ga و C59Al جذب فیزیکی نشان دادند. به طور خلاصه، قرار دادن هترو اتم‌ها در ساختار C60 بر جذب SO2 تاثیر بیشتری نسبت به CO2 داشت. شکاف انرژی بین سطوح HOMO و LUMO با بیشتر شدن برهمکنش بین مولکول‌های SO2یا CO2 و هتروفولرن‌ها کاهش می‌یابد.

 در این تحقیق پایداری فولرن‌های بور مورد بررسی قرار گرفته است. بهینه‌سازی ساختار مولکول‌ها با روش B3LYP و در یک مورد با روش B3PW91 و مجموعه پایه (d)6-31g برای تمام اتم‌ها به‌جز اتم فلز واسطه (اتم فلز واسطه مجموعه پایه LANL2DZ همراه با پتانسیل موثر هسته (ECP)) انجام‌ شده است. نظریه DFT وابسته به زمان (TDDFT) برای محاسبه خواص نوری کمپلکس ها با روش محاسباتی CAM-B3LYP به‌کار برده شده است. محاسبات با استفاده از نرم‌افزار G09 انجام شده است. در بخش اول جهت انتخاب مناسب ترین قفس فولرنی برای کپسوله سازی فلز و کلاستر فلزی پنج فولرن با تقارن های C1، C2، Ci، C2h و D2h مورد بررسی قرار گرفته است. در میان این پنج فولرن، فولرن B80 با تقارن D2h به دلیل داشتن بیشترین انرژی پایداری پایدارترین قفس خالی از دیدگاه ترمودینامیکی شناخته شده است؛ اما به دلیل نداشتن فضای مناسب قفس جهت به دام اندازی فلز و کلاستر فلزی انتخاب نشده است. از طرفی فولرن B80 با تقارن C1پایدارترین قفس از دیدگاه سنتیکی شناخته شده است؛ زیرا دارای شکاف انرژی بیشتری نسبت به سایر فولرن ها ی بررسی شده می باشد و بنابراین واکنش پذیری کمتری دارد. پس فولرن B80 با تقارن C1 به عنوان مناسب ترین قفس انتخاب شده است. در بخش دوم کپسوله سازی فلز به عنوان روشی جهت بررسی پایداری فولرن‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. برای بررسی تاثیر نوع فلز کپسوله شده بر روی پایداری و خواص ساختاری والکترونی فولرن‌ها، فلزات لیتیم و برلیم در فولرن B80 قرار داده شدند. مقایسه شکاف انرژی نشان داد که شکاف انرژی کمپلکس Be@B80 نسبت به فولرن B80 خالی اندکی بزرگ تر شده و بنابراین واکنش پذیری کمتری دارد. این در حالی است که شکاف انرژی پس از به دام اندازی فلز لیتیم در فولرن B80(C1)کاهش یافته و منجر به افزایش واکنش پذیری شده است. همچنین از بین دو کمپلکس Li@B80 و Be@B80 شکاف انرژی برای کمپلکس Be@B80 بیشتر و بنابراین از دیدگاه سنتیکی پایدارتر است. مقایسه انرژی پایداری دو کمپلکس Li@B80 و Be@B80 نشان از پایدارتر بودن کمپلکس Li@B80 از دیدگاه ترمودینامیکی است. پس در مقایسه پایداری دو کمپلکس Li@B80 و Be@B80 دو دیدگاه سنتیکی و ترمودینامیکی همسو نخواهند بود. در بخش سوم بررسی اثر به دام اندازی کلاسترهای فلزی La3N، Sc3Nو Sc2C2 بر پارامتر‌های ساختاری، الکترونی و نیز بر روی پایدار‌ی فولرن B80 با تقارن C1، صورت پذیرفته است. نتایج نشان داد که کپسوله سازی کلاستر نیتریدی Sc3N نسبت به نوع کاربیدی آن ( Sc2C2) در فولرن B80 کاهش کمتری در شکاف انرژی ایجاد خواهد کرد و بنابراین واکنش پذیری کمپلکس Sc3N@B80 نسبت به کمپلکس Sc2C2@B80 کمتر خواهد بود. همچنین در بین کمپلکس های Sc3N@B80و La3N@B80 کمترین کاهش در شکاف انرژی و به دنبال آن کمترین واکنش پذیری متعلق به کمپلکس Sc3N@B80 خواهد بود. از مقایسه انرژی های پایداری این نتیجه به دست آمد که به دام اندازی کلاستر نیتریدی Sc3N نسبت به نوع کاربیدی آن ( Sc2C2) در فولرن B80(C1)انرژی پایداری منفی تری به دست خواهد داد. پس ترمودینامیک کمپلکس Sc3N@B80 را پایدارتر از کمپلکس Sc2C2@B80 معرفی می کند. در بین دو کمپلکس La3N@B80 و Sc3N@B80نیز انرژی پایداری بیشتر کمپلکس Sc3N@B80 آن را به لحاظ ترمودینامیکی پایدارتر می سازد. پس هر دو زمینه ترمودینامیکی و سنتیکی همسو با هم کمپلکس Sc3N@B80 را پایدارترین کمپلکس معرفی می نمایند. نتایج حاصل از محاسبات TDDFT نیز نشان داد کمترین طول موج ماکزیمم متعلق به کمپلکس Sc3N@B80 بوده است.

در این تحقیق، خواص نوری و الکترونی فولرن‌-پلیمرهای ناهمسان به عنوان مدلی برای سلول‌های خورشیدی آلی در فاز گازی و حلال مورد بررسی قرار گرفت. پلیمرهای 2D، 1D و 3D به عنوان دهنده و C₆₀، C₇₀، PC₆₀BM و PC₆₀BE به عنوان پذیرنده استفاده گردیدند. در این مطالعه سطوح انرژی، شکاف HOMO-LUMO و انرژی بازآرایی توسط نظریه تابعیت چگالی (DFT) بدست آمدند. نظریه DFT وابسته به زمان (TDDFT) برای محاسبه خواص نوری آن‌ها به‌کار برده شد. تابعی تبادل-همبستگی B3LYP و مجموعه پایه6-311G (d,p) برای تعیین ساختارهای بهینه حالت پایه‌ی سیستم‌های مولکولی مذکور به کار برده شدند. برای بررسی اثر حلال، مدل پیوستار قطبش‌پذیر رسانا-مانند (CPCM) استفاده گردید. محاسبات با استفاده از نرم‌افزار G09 انجام شده است. مطالعه اثر اندازه پلیمر نشان می‌دهد که با افزایش اندازه پلیمر، شکاف HOMO-LUMO کاهش و طول موج ماکزیمم، افزایش می‌یابد. اثر حلال باعث جابه‌جایی قرمز (Red shift ) در طول موج ماکزیمم و افزایش جذب در پلیمر و کمپلکس‌ها می‌گردد. از طرفی، اثر اندازه پلیمر بر خواص نوری کمپلکس‌ C₆₀/(1D)_n با n=1,2,3 بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش اندازه پلیمر، طول موج ماکزیمم نیز افزایش می‌یابد. علاوه بر این، با افزایش اندازه پلیمر ولتاژ مدار باز (V_OC) کاهش می‌یابد. بر اساس نتایج ذکر شده در بالا و بررسی دیگر خواص الکترونی، این نتیجه حاصل می‌شود که کمپلکس C₆₀/(1D)_n=1 نسبت به کمپلکس‌های C₆₀/(1D)_n=2,3 از شرایط بهتری به عنوان سلول‌ خورشیدی ناهمسان برخوردار است.
برای بررسی اثر پذیرنده بر خواص سلول خورشیدی، سه نوع متفاوت پذیرنده شامل C₇₀، PC₆₀BM و PC60BE به جای C60 مورد مطالعه قرار گرفتند. لازم به ذکر است که دهنده در این حالت مونومر 1D می‌باشد. بررسی نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که C₇₀/(1D)_n=1 به عنوان سلول خورشیدی نسبت به دیگر کمپلکس‌ها گزینه مناسب‌تری می‌باشد. در صورتی که پلیمرهای 2D و 3D (با n=3) به عنوان دهنده استفاده گردند، از بین مواد پذیرنده ذکر شده، PC₆₀BM وPC₆₀BE بهترین گزینه می‌باشند. برای بررسی توانایی کمپلکس‌های PC₆₀BM/(2D)_n=3 و PC₆₀BE/(2D)_n=3 به عنوان سلول خورشیدی ناهمسان، کمیت‎های مختلفی برای این کمپلکس‌ها در فاز گازی و در حلال کلروبنزن محاسبه گردید. محاسبه خواص الکترونی و نوری کمپلکس‌های بالا نشان می‌دهد که کمپلکس‌های ذکر شده گزینه‌های مناسبی برای سلول‌های خورشیدی در فاز گازی و حلال می‌باشند، همچنانکه کمپلکس‌های PC₆₀BM/(3D)_n=3 و PC₆₀BE/(3D)_n=3در فاز گازی گزینه‌های مناسبی می‌باشد.