基于蓝烯核心的高效空穴传输材料的分子工程：用于钙钛矿太阳能电池的D-π-A结构设计——基于密度泛函理论（DFT）的研究

《Journal of Fluorescence》：Molecular Engineering of Azulene-Core Based Efficient Hole-Transport Materials for Perovskite Solar Cells Following D-π-A Motif: A DFT Study

蓝莲核基D-π-A HTMs（AZU1-AZU5）通过密度泛函理论计算显示其HOMO能级（-5.25至-5.32 eV）与钙钛矿能级匹配，降低激子束缚能（0.10-0.20 eV），提升可见光吸收（λmax≤539 nm）。AZU5具有最低HOMO-LUMO能隙（1.24 eV）、最高电荷转移效率（qCT=0.992）及最大偶极矩，成为最佳候选材料。研究提出通过受体修饰优化HTMs性能，但需实验验证。

　　

摘要

基于氮杂蒽核心的空穴传输材料（HTMs）正成为钙钛矿太阳能电池（PSCs）中稳定且高效的候选材料。本研究介绍了五种新型HTMs（AZU1-AZU5），它们采用供体-π-受体（D-π-A）结构，将氮杂蒽核心与二甲氧基三苯胺（DMTPA）及改性的受体基团结合在一起。通过密度泛函理论（DFT）和时依赖DFT进行的量子化学分析表明，这些材料具有良好对齐的HOMO能级（-5.25至-5.32 eV）、较低的激子结合能（0.10至0.20 eV），以及在可见光区域（λ_max ≤ 539 nm）的强吸收特性，从而提升了它们在PSCs中传输空穴的能力。与参考分子AZU-OMeTPA相比，所设计的HTMs具有更低的空穴重组能（0.2108至0.2316 eV），确保了快速高效的空穴传输。同时评估了这些材料的激发态电荷传输特性，包括电荷传输量q^CT、电荷密度差、电荷传输距离（D_index）、空穴-电子重叠（S_±）、H指数、t指数等参数，以及电离势和电子亲和力。在所研究的HTMs中，AZU3在气相和液相中均表现出最高的紫外吸收能力。AZU5具有最深的HOMO能级（-5.31 eV）、最低的结合能、最小的HOMO-LUMO能隙（1.24 eV）以及最大的偶极矩。较高的q^CT（0.992）、总电荷传输量（6.58 e）和内在电荷传输效率（93.02%）使得AZU5成为增强电荷传输能力的更优候选材料。这些发现突显了受体修饰对HTM性能调节的重要影响，为设计下一代高效PSCs的HTMs提供了战略方向。然而，目前的研究仅限于计算预测，未来的实验验证对于确认模拟结果及探讨潜在的器件级影响至关重要。