高度荧光咪唑基无金属 D-Π-A 染料用于染料敏化太阳能电池（DSSC）的设计：从基础研究到应用潜力挖掘

为研究新型染料用于 DSSC 的性能，研究人员采用实验和理论结合的方法对 1-(4 - 甲氧基苯基)-2-(4 - 硝基苯基)-4,5 - 二苯基 - 1H - 咪唑（DS-1）展开研究。结果显示 DS-1 制成的 DSSC 光电转换效率为 1.75%，其结构修饰有望提升性能，对光电领域意义重大。

　　在本研究中，通过实验和理论相结合的方法，对 1-(4 - 甲氧基苯基)-2-(4 - 硝基苯基)-4,5 - 二苯基 - 1H - 咪唑（DS-1）的光物理、电子和光电性质进行了研究。利用扫描电子显微镜（SEM）分析了 DS-1 的表面形貌，发现其呈棒状结构且分布不均匀，能量色散 X 射线分析（EDAX）证实了其元素组成。溶剂化显色研究表明，随着溶剂极性增加，吸收和荧光最大值出现显著红移，这表明溶质 - 溶剂相互作用增强了激发态的稳定性。在氢键溶剂中显著的斯托克斯位移突出了强分子内电荷转移（ICT）效应。利用溶剂化显色相关性估计了基态和激发态的偶极矩，结果显示激发态的偶极矩更高，证实了激发时发生了显著的电子重新分布。Mulliken 原子电荷分析进一步支持了溶剂诱导的电子极化，由于强溶质 - 溶剂相互作用，二甲基亚砜（DMSO）表现出最高的电荷重新分布。前沿分子轨道（FMO）分析显示，DS-1 的最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能隙为 3.149 eV，表明其在紫外 - 可见光区域有吸收。利用全局化学反应性描述符（GCRD）估计了化学硬度、亲电性和亲核性，这表明 DS-1 具有潜在的光电稳定性。为探索实际应用，将 DS-1 作为敏化剂掺入染料敏化太阳能电池（DSSC）中。制备的 DSSC 表现出 1.75% 的中等功率转换效率（PCE），开路电压（V_oc）为 653.3 mV，短路电流密度（J_sc）为 4.74 mA/cm²，填充因子（FF）为 56.73%。研究结果表明，诸如 π 共轭扩展和供体 - 受体工程等结构修饰，有望改善光吸收和电荷传输性能，使 DS-1 成为光电和光伏应用的有前途的候选材料。