基于高光谱成像技术和机器学习对珠海市水分含量分布的检测与可视化

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Detection and visualization of water content distribution in Chuju based on hyperspectral imaging technology and machine learning

新型罗丹明基非富勒烯受体的设计及其在有机太阳能电池中的应用研究。通过量子化学模拟和光谱分析，系统研究了七种SM-NFAs（IC1-IC7）的结构-性能关系，发现其具有更优的光吸收和能带结构，可有效提升有机太阳能电池的效率和稳定性。

　　

Faryal Tahir|Muhammad Adnan|Muzammil Hussain|Riaz Hussain|Zobia Irshad|Hany W. Darwish|Mahmood Ahmed|Malik Muhammad Asif Iqbal

奥卡拉大学化学系，巴基斯坦56300

摘要

基于小分子的（SM）节能非富勒烯受体（NFAs）在有机太阳能电池（OSCs）中的应用受到了广泛关注。在本研究中，我们设计了一系列七种新型罗丹宁基SM-NFAs（IC1-IC7），并将其与合成参考分子（IC-R）进行了比较。通过引入不同的末端官能团，我们调整了它们的光学、光物理、光电和光伏性能。利用先进的量子化学模拟方法，包括密度泛函理论（DFT）和时依赖DFT（TD-DFT），评估了侧链和桥接核心修饰的影响。我们分析了结合能、电子-空穴重组能、静电势和跃迁密度。此外，还通过自然种群、自然键轨道、电子密度差异以及分子内电荷转移分析研究了电子跃迁。与IC-R相比，所设计的NFAs表现出更低的结合能（1.15 eV）、更窄的带隙（3.24 eV）、更高的吸收率（590.88–625.87 nm）以及降低的电子和空穴迁移率。对PTB7-Th:IC-6的供体-受体复合物分析进一步探讨了电荷转移机制。这些发现表明，IC1-IC7具有提高开路电压和填充因子的潜力，从而有望成为下一代高性能OSCs的有力候选材料。

引言

有机太阳能电池被认为是一种有潜力的太阳能技术，旨在解决全球能源挑战并减少污染。这些电池因其小巧的尺寸、适合溶液处理的特性以及通过印刷实现大规模生产的可能性而备受关注[[1], [2], [3]]。由于使用廉价原材料，它们在可再生能源领域的吸引力进一步增强。许多研究关注了可以修改以展示特定光电、热和光伏特性的有机共轭小分子。特别是，使用溶液处理的小分子（SPSMs）作为有机光伏（OPVs）中的供体材料引起了极大的兴趣[4,5]。普通OSCs的一个重要组成部分是活性光源，通常由供体和受体组成。OSCs的正确运行依赖于这些部分之间的相互作用[1]。富勒烯电子受体分子存在一些缺点，包括能量水平调节能力有限。近年来，人们为开发非富勒烯电子受体（NFAs）做出了巨大努力，以克服富勒烯受体的固有局限性，如随时间变化形状和在太阳光谱中吸收可见光的能力较低[6]。在过去几年中，基于NFA的有机光伏（OPV）设备取得了快速进展。单结OPVs在多项研究中展示了超过17%的转换效率（PCE），远高于基于富勒烯的设备的PCE[7,8]。这一发现表明，NFAs在有机太阳能电池中具有巨大潜力。基于NFA的太阳能电池的优越性能归因于以下因素：(I) 通过系统地改变其分子结构，可以轻松调节NFAs的能量水平，从而在与各种先进电子供体材料结合时实现高开路电压（Voc）；(II) 与高带隙聚合物供体结合时，NFAs提供了强大的近红外（IR）光捕获能力以及互补的宽范围光吸收，这两者都有利于提高短路电流（Jsc）；(III) 此外，NFA分子骨架的光活性平面层增强了分子间的接触，并具有适当的晶体域大小，促进了有效的电荷载流子传输。一些研究还声称，基于NFA的OPVs在形态稳定性方面优于基于富勒烯受体的OPVs[[10], [11], [12]]。

在这里，我们设计了七种新的A-D-A结构的罗丹宁基SM-NFAs，以理论研究它们的结构性质关系、光学、光电和光伏特性。为了有效构建电子受体分子，有必要理解NFAs的分子结构与高性能有机太阳能电池材料性质之间的相互作用。NFAs的平面结构通常由交替的电子受体（A）和电子供体（D）单元组成。通过促进骨架结构之间的适当自组装，具有良好设计的末端EWD端的对称A-D-A或D-A-D骨架结构可以提高薄膜的结晶度和长程分子有序性。

在这里，我们在合成参考分子IC-R的末端引入了不同的末端官能团替换，并提出了基于罗丹宁的NFAs系列IC-1至IC-7。我们使用多种先进的量子化学模拟方法研究了这些设计分子以及IC-R。我们还进行了多种理论表征，以预测它们的光学、电子和量子化学参数[13,14]。为了研究供体-受体界面处的电荷转移机制，我们还进行了供体-受体复合物的研究。结果与已知的合成参考分子IC-R进行了对比。因此，我们建议使用这种基于罗丹宁的独特SM-NAs材料来制造高效的OSCs。

计算细节

使用Gaussian 09W和Gauss View 5.0计算了IC-R和所提出的非对称系列（IC1-IC7）的潜力[15]。最初，我们使用多种DFT泛函（如B3LYP [16]、CAM-B3LYP [17]、ωB97XD [18]、M06、M062X [19]和MPW1PW91 [20]）对IC-R分子进行了优化。我们检查了IC-R的UV–Vis吸收特性，发现实验吸收值与M062X/6-31G（d,p）值非常接近。光谱分析使用了TD-DFT方法。

分子化学

为了设计高性能的基于NFA的有机太阳能电池，理解NFA的化学结构与材料性质之间的关系至关重要。我们经常使用具有交替电子受体（A）和电子供体（D）单元的扁平结构来制备非富勒烯受体（NFAs）[25]。对称的薄膜拓扑结构通过提供适当的烷基侧链相互作用和对称的A-D-A结构来提高结晶度并促进长程分子有序性。

结论

总之，我们成功设计并研究了七种新的罗丹明基SM-NFAs（IC1-IC7），并将其特性与合成参考分子IC-R进行了比较。首先，我们使用六种不同的DFT泛函优化了IC-R，以选择最接近合成IC-R分子特性的方案。光学分析显示，所设计的IC-1-IC7系列的带隙从3.24 eV降低到3.31 eV，吸收率提高了至625.87 nm。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢COMSAT大学伊斯兰堡提供的先进计算设施。作者还感谢沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学的正在进行的研究资助计划（ORF-2025-812）对这项工作的支持。