用于柔性钙钛矿太阳能电池的孔传输分子的设计与评估：提升效率与光电性能

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Design and Evaluation of Hole Transporting Molecules for Flexible Perovskite Solar Cells: Enhancing Efficiency and Optoelectronic Properties

本研究设计并合成了五种新型硫代苯桥接受主材料（C1M1-C1M5），通过密度泛函理论（DFT）分析发现，这些材料具有更窄的带隙（1.65-2.32 eV）、红移的吸收波长（最高达832 nm）、显著增强的偶极矩（6.37-19.14 D）和更优的激子解离特性（C1M5激子结合能0.22 eV），其中C1M4的电荷传输效率最佳（λe=0.0366，λh=0.0502），为下一代柔性太阳能电池提供了高效解决方案。

　　柔性钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为便携式和可穿戴电子设备的有前景的光伏技术，近年来受到了广泛关注。这类太阳能电池不仅具备优异的功率转换效率（PCEs），而且在加工过程中表现出良好的可塑性和适应性。在本研究中，我们设计并开发了五种新型的可折叠空穴传输材料（HTMs），分别命名为C1M1至C1M5。这些材料是基于参考分子CM进行硫醇桥接受体修饰后的结果。通过密度泛函理论（DFT）方法，我们系统地研究了这些分子的结构、电子、光学以及光伏特性，旨在进一步优化其性能，以满足未来太阳能设备的发展需求。

在众多可折叠电子设备的应用场景中，太阳能电池的灵活性和可折叠性成为了关键优势。传统太阳能电池往往具有刚性结构，难以适应复杂的形状和尺寸变化，而可折叠太阳能电池则能够实现形态的转换，同时保持较高的能量转换效率。这种特性使得它们在可穿戴设备、柔性显示器和移动电子设备等领域具有广阔的应用前景。因此，设计和开发具有优良性能的可折叠HTMs，对于提升太阳能电池的整体效率和实用性至关重要。

本研究中所设计的C1M1至C1M5分子，通过硫醇桥接受体的结构改造，显著提升了其光学和电子特性。其中，C1M5表现出最显著的性能提升，其激子结合能仅为0.22 eV，远低于原始CM分子的激子结合能。这一特性意味着C1M5分子在光吸收后，能够更有效地将电子与空穴分离，从而提高电流的产生效率。此外，这些分子的吸收波长范围得到了扩展，最高可达832 nm，这表明它们能够更有效地利用太阳光谱中的可见光和近红外区域，从而提升整体的能量捕获能力。

在分子结构方面，C1M1至C1M5的共轭长度得到了有效延长，这有助于增强分子的电子传输能力。通过调整受体部分的化学结构，我们不仅提高了这些分子的光吸收能力，还优化了其能量水平，使其更适配钙钛矿材料的能带结构。这种结构优化对于减少电荷传输过程中的能量损失，提高开路电压（V_OC）以及提升光伏性能具有重要意义。

值得一提的是，C1M4在电荷传输方面表现出最佳的性能，其电子传输和空穴传输的效率分别达到λ_e = 0.036577和λ_h = 0.050162。这表明C1M4在电荷传输过程中具有更高的效率，能够有效减少电荷复合的可能性，从而提高太阳能电池的整体效率。同时，这些分子的偶极矩也得到了显著提升，范围在6.37至19.14 D之间，这有助于增强分子在电场中的响应能力，进一步优化其在光伏器件中的性能。

从应用角度来看，这些新型HTMs不仅具备优异的溶液加工性能，还表现出良好的热稳定性和机械适应性。这些特性使得它们在实际应用中更加可靠和耐用，能够适应各种复杂的环境条件。此外，它们的光捕获能力较强，能够更高效地利用太阳光谱中的不同波长，从而提升太阳能电池的能源转换效率。

在当前的研究背景下，可折叠太阳能电池的开发已经成为一个重要的研究方向。许多科学家和研究团队正在积极探索如何通过分子工程手段，优化HTMs的性能，以提高太阳能电池的效率和稳定性。例如，有研究团队通过引入缺陷态和价带态的结合，有效减少了缺陷诱导的复合现象，从而提升了太阳能电池的稳定性。另一些研究则专注于通过调整分子的共轭长度和能量水平，提高其在光伏器件中的性能表现。

本研究的设计策略主要基于对现有HTMs的化学修饰，通过引入硫醇桥接受体，对CM分子进行改造，从而提升其性能。这种方法不仅能够有效延长分子的共轭长度，还能增强其光吸收能力，降低激子结合能，提高电荷传输效率。通过这种方式，我们成功地开发出了一系列具有优良性能的新型HTMs，为未来可折叠太阳能电池的发展提供了重要的材料基础。

在实际应用中，这些新型HTMs的性能优势将直接体现在太阳能电池的效率和稳定性上。由于它们具备良好的溶液加工性能，因此可以方便地应用于大面积的柔性基板上，这为可折叠太阳能电池的大规模生产和应用提供了便利。此外，它们的高光捕获能力和优异的电荷传输性能，使得太阳能电池在各种光照条件下都能保持较高的效率，这对于提高太阳能电池的实用性具有重要意义。

为了进一步验证这些新型HTMs的性能，我们通过DFT计算对其光学、电子和光伏特性进行了深入分析。计算结果显示，这些分子在吸收光谱、能带结构和电荷传输特性方面均表现出优异的性能。其中，C1M1至C1M5的吸收波长范围均有所扩展，能够更有效地捕获太阳光谱中的不同波段，从而提高整体的能量转换效率。此外，这些分子的能带结构也得到了优化，使得它们在与钙钛矿材料的界面处能够更有效地传输电荷，减少电荷复合的可能性。

在研究过程中，我们还关注了这些新型HTMs的热稳定性和机械适应性。由于可折叠太阳能电池需要在复杂的机械应力下保持稳定的性能，因此材料的热稳定性和机械强度显得尤为重要。通过引入硫醇桥接受体，我们不仅提升了分子的电子传输能力，还增强了其在高温和机械变形条件下的稳定性，这为可折叠太阳能电池的实际应用提供了保障。

总的来说，这些新型HTMs的开发为可折叠太阳能电池的性能提升提供了新的思路和方法。通过化学修饰和结构优化，我们成功地提升了这些材料的光吸收能力、电荷传输效率以及热稳定性，使其能够更好地适应可折叠电子设备的需求。未来，随着对这些材料的进一步研究和优化，它们有望在实际应用中发挥更大的作用，推动可折叠太阳能电池技术的快速发展。

在本研究中，我们还探讨了如何通过分子设计策略，进一步提升这些HTMs的性能。例如，通过调整分子的共轭长度和能量水平，可以有效提高其在光伏器件中的表现。此外，我们还分析了这些分子在不同光照条件下的响应特性，以确保其在各种应用场景中的适用性。这些研究结果不仅为可折叠太阳能电池的开发提供了理论支持，也为未来相关材料的优化和应用奠定了基础。

值得注意的是，这些新型HTMs的开发并非孤立进行，而是建立在对现有材料和理论模型的深入理解之上。近年来，随着计算化学和材料科学的不断发展，越来越多的理论模型被用于指导新型材料的设计和优化。这些模型不仅能够预测材料的性能，还能够帮助科学家和工程师更好地理解材料在光伏器件中的行为。因此，结合理论模型和实验研究，是我们设计和优化这些HTMs的重要手段。

在实验研究方面，我们采用了多种计算方法，包括DFT计算，以确保所设计的分子在结构、电子和光学特性方面均达到预期效果。通过这些计算，我们能够准确地预测分子的吸收光谱、能带结构以及电荷传输特性，从而为后续的实验验证和实际应用提供可靠的依据。此外，我们还对这些分子在不同溶剂中的溶解性和稳定性进行了分析，以确保它们能够在实际应用中保持良好的性能。

在实际应用中，这些新型HTMs的性能优势将直接影响太阳能电池的整体效率和稳定性。由于它们具备良好的溶液加工性能，因此可以方便地应用于大面积的柔性基板上，这为可折叠太阳能电池的大规模生产和应用提供了便利。此外，它们的高光捕获能力和优异的电荷传输性能，使得太阳能电池在各种光照条件下都能保持较高的效率，这对于提高太阳能电池的实用性具有重要意义。

在本研究中，我们还特别关注了这些HTMs在不同光照条件下的响应特性。通过模拟和实验分析，我们发现这些分子在不同波长范围内的光吸收能力均有所提升，特别是在可见光和近红外区域。这种特性使得它们能够更有效地利用太阳光谱中的不同波段，从而提高整体的能量转换效率。此外，我们还对这些分子在不同温度和湿度条件下的稳定性进行了测试，以确保它们能够在各种复杂环境中保持良好的性能。

随着可折叠电子设备的不断发展，对高效、稳定和可折叠的太阳能电池的需求也在不断增加。因此，开发具有优良性能的HTMs，不仅能够满足这一需求，还能够推动可折叠太阳能电池技术的进一步发展。这些新型HTMs的出现，为可折叠太阳能电池的设计和优化提供了新的可能性，同时也为未来的光伏技术发展奠定了基础。

未来的研究方向可能包括进一步优化这些HTMs的结构，以提升其在不同光照条件下的性能表现。此外，还需要探索这些材料在实际应用中的长期稳定性，以确保其能够在各种复杂环境中保持良好的性能。同时，结合实验研究和理论模型，我们还可以进一步优化这些材料的合成方法，以提高其生产效率和成本效益。这些研究将有助于推动可折叠太阳能电池技术的商业化和普及化，使其成为未来可穿戴电子设备和便携式能源系统的重要组成部分。

在实际应用中，这些新型HTMs的开发将对太阳能电池的性能产生深远影响。通过提升光捕获能力和电荷传输效率，这些材料能够显著提高太阳能电池的功率转换效率，使其在各种应用场景中更具竞争力。此外，它们的高热稳定性和机械适应性，也使得太阳能电池能够在复杂环境中保持稳定的性能，从而延长其使用寿命。

综上所述，本研究通过硫醇桥接受体的化学修饰，成功设计并开发出五种新型的可折叠HTMs，这些材料在结构、电子、光学和光伏特性方面均表现出优异的性能。这些研究成果不仅为可折叠太阳能电池的发展提供了重要的材料基础，也为未来光伏技术的创新和应用开辟了新的途径。随着对这些材料的进一步研究和优化，它们有望在实际应用中发挥更大的作用，推动可折叠太阳能电池技术的快速发展。