高效供体-受体非富勒烯分子中光伏潜力的计算评估

《Materials Advances》：Computational assessment of the photovoltaic potential in efficient donor–acceptor non-fullerene molecules

基于DFT和TD-DFT计算，设计了六个新型非富勒烯受体分子（AMF1-AMF6），发现AMF6因带隙最窄（1.015 eV）、开路电压最高（1.262 V）及激子结合能最低（-0.773 eV）而最适用于高效有机太阳能电池。

　　有机太阳能电池（OSC）作为新一代光伏技术，因其可调的光电特性、机械柔韧性、轻质以及溶液加工性而备受关注。随着非富勒烯受体（NFAs）在OSC中的广泛应用，其设计和优化成为提升光伏性能的关键环节。本研究围绕一种以苯基（Ph）为核心、由两个T-IDIC臂分子组成的分子结构[Ph(T-IDIC)?]展开，通过量子化学建模和分子结构分析，设计并评估了六种新型非富勒烯供体-受体复合物（AMF1–AMF6），以探索其在OSC中的潜力。该研究采用密度泛函理论（DFT）和时间依赖DFT（TD-DFT）方法，结合MPW1PW91/6-31G(d,p)基组，对这些分子的电学性质、电荷传输特性及分子结构进行了深入分析。通过一系列关键参数的计算，如最大吸收波长（λ_max）、带隙（E_g）、结合能（E_b）、开路电压（V_oc）、密度态（DOS）、电荷转移密度矩阵（TDM）和分子静电势（MEP），研究团队评估了这些分子在光伏应用中的表现。

在这些分子中，AMF6展现出最突出的性能。其在溶剂相（二氯甲烷，DCM）中的最大吸收波长达到了689.22 nm，显著高于参考分子AMF的640 nm，表明其在可见光范围内的光捕获能力得到了明显增强。此外，AMF6的带隙为1.015 eV，比参考分子AMF的1.461 eV小，意味着其能够更有效地吸收低能量光子，从而提升光电转换效率。同时，AMF6的结合能为?0.251 eV，表明其具有良好的电荷分离能力。这些特性使AMF6成为在 OSC 中具有广泛应用前景的材料。

在研究过程中，还特别关注了AMF6的电荷转移行为。通过TDM和MEP分析，可以清晰地看到AMF6在分子结构上具有优异的电荷分离能力。TDM分析揭示了AMF6在受体部分表现出较高的电子相干性，而在供体部分则显示出较低的电子密度，这种分布有利于电荷在分子内的有效传输。同时，MEP分析进一步说明了AMF6的电荷分布特性，其中分子的中性区域、电正区域和电负区域分别由浅绿色、蓝色和红色表示，显示出AMF6在电荷分离方面的潜力。相比传统富勒烯基系统，AMF6的这些特性使其在 OSC 中表现更优，有望推动更高效、更环保的有机电子器件的发展。

除了带隙和电荷转移能力，AMF6的开路电压（V_oc）也显著优于参考分子AMF。V_oc的计算结果表明，AMF6的V_oc值为1.262 V，而参考分子AMF的V_oc值为1.179 V。这一结果反映了AMF6在电荷分离和能量转换方面具有更强的能力。同时，AMF6的填充因子（FF）也达到了90.20%，进一步证明其在 OSC 设备中的优越性能。这些结果表明，AMF6不仅在光捕获和电荷传输方面表现出色，而且在能量转换效率上也具有明显优势。

研究还发现，通过改变分子末端的受体单元，可以有效优化 OSC 的性能。这种末端基团的工程化策略被证明是提高光伏性能的关键。例如，AMF3的带隙为1.251 eV，而其V_oc值为1.262 V，显示其在 OSC 应用中的潜力。相比之下，AMF6虽然带隙最小，但其电子捕获能力更强，从而在 OSC 设备中表现出更高的电荷分离效率。此外，AMF6的电荷转移能力显著优于其他分子，这与其较高的电子亲和力和较低的电荷分离能密切相关。

在对不同分子的电荷分布和电子亲和力进行深入分析后，研究团队发现，AMF6在所有测试分子中表现出最低的电荷分离能，表明其在 OSC 中具有最强的电荷分离能力。这种特性对于提高 OSC 的光电转换效率至关重要，因为更高效的电荷分离意味着更多的光生载流子可以被有效收集并转化为电流。此外，AMF6的电子亲和力（EA）和电荷亲和性指数（ω）也显著高于其他分子，进一步验证了其在 OSC 设备中的优越性。

本研究不仅揭示了 AMF6 在 OSC 中的潜力，还提供了关于如何通过分子设计优化光伏性能的重要见解。通过改变末端基团，研究团队成功地降低了带隙并提高了光捕获能力，从而提升了 OSC 的整体效率。此外，研究还发现，不同的末端基团对分子的电子结构和光物理特性具有显著影响，例如氯（Cl）、氟（F）、氰基（CN）和甲基酯（COOCH?）等取代基对带隙和电子亲和力的影响。这些结果表明，通过合理的分子设计，可以实现对 OSC 性能的全面优化。

在实际应用中，AMF6 可能成为 OSC 的理想受体材料，因其在多个关键性能指标上均优于其他分子。这种材料不仅能够提高 OSC 的光电转换效率，还能改善其稳定性、光吸收范围和电荷传输特性。此外，AMF6 的高电子亲和力和低电荷分离能使其在 OSC 中具有更长的载流子寿命和更高的电流输出，这对于提升 OSC 的整体性能至关重要。

综上所述，本研究通过量子化学建模和分子结构分析，成功设计并评估了六种新型非富勒烯受体分子（AMF1–AMF6），并发现其中 AMF6 在多个关键性能指标上表现出色。AMF6 不仅具有较低的带隙和较高的光捕获能力，还表现出优异的电荷分离效率和开路电压，使其成为 OSC 中具有广泛应用前景的材料。这些结果不仅为 OSC 的设计和优化提供了重要指导，也为未来开发高性能的有机电子器件奠定了理论基础。