通过强受体替代来调整基于香豆素的中小分子供体的性质，以用于先进的供体/PCBM有机太阳能电池

《Scientific African》：Tuning the properties of Coumarin-based small molecule donors via strong acceptor substitution for advanced Donor/PCBM organic solar cells

本研究通过密度泛函理论（DFT）计算，设计并评估了四种新型coumarin基小分子给体（M1-M4），通过替换苯基团为强电子接受基团，实现了HOMO-LUMO能量间隙的显著降低（1.51-1.72 eV，MR为1.87 eV），吸收波长红移（553-614 nm），偶极矩增大（>10 D），电荷重组能量降低，预测的PCE从5%提升至9%以上，揭示了分子结构优化对光吸收、电荷传递及光伏性能的关键影响，为高效有机太阳能电池材料设计提供了新策略。

　　
本研究聚焦于通过分子设计策略优化小分子供体材料，以提升有机太阳能电池（OSCs）的光伏性能。作者以邻苯二甲酸二乙基氨基酯（PCBM）为受主体系，基于已报道的高效供体分子C3-CN的化学结构，通过系统性替换苯基团为强电子接受基团（DMPPDO、MTPDO、TTDO），设计并合成了四类新型供体分子（M1-M4）。研究结合密度泛函理论（DFT）计算与实验数据验证，从电子结构、光物理特性、电荷传输机制及器件性能预测等维度，揭示了分子结构修饰对OSCs性能的影响规律。

**分子设计与电子结构优化**
研究以参考分子MR（2-((2E,4E)-1-(7-(二乙氨基)-2-氧代-2H-香豆素-3-基)-5-(4-(二甲基氨基)苯基)-戊二烯-1-基甲酰氰）为蓝本，通过替换苯基团引入强电子接受基团，构建D-π-A-D构型的供体分子。这种结构设计旨在增强分子内电荷转移（ICT）能力，缩小HOMO-LUMO能量间隙（1.51-1.72 eV），较MR（1.87 eV）降低约20%。计算显示，M1和M3的能量间隙最小（1.51 eV和1.53 eV），且具有更深的HOMO能级（-5.32 eV和-5.28 eV），与PCBM的LUMO能级（-4.00 eV）形成更优的能级错配（ΔE_L?L=0.32-0.38 eV），有助于提升电子注入效率。分子极性（偶极矩>10 D）和电子亲核性（ω>13 eV）的显著增强，表明新型分子在溶解性、电荷迁移能力及稳定性方面具有优势。

**光物理特性与电荷分离机制**
紫外-可见吸收光谱显示，所有设计分子在氯仿中的λ_max发生红移（553-614 nm），较MR（518 nm）延长约18-20%，覆盖可见光更宽波段。激发态寿命（τ）由MR的2.33 ns增至M1的3.65 ns，表明分子内电荷分离更充分。过渡密度矩阵（TDM）分析表明，所有分子在S1激发态以电荷转移（CT）为主（贡献率>90%），电子从供体片段（Di）转移到受体片段（Ai），而π桥结构（π-spacer）的共轭扩展进一步促进电荷离域。分子静电势（MEP）映射显示，强电子接受基团（如氰基、羰基）区域呈现显著负电势，与供体区域（如氨基、苯环）形成电势梯度，增强分子内电荷转移驱动力。

**光伏性能预测与设计规则**
基于Scharber模型预测，M1-M4的器件性能参数（V_oc、J_sc、FF、PCE）较MR显著提升。M2和M3在V_oc（1.02 V和1.04 V）和PCE（9%）方面表现最佳，其中M3的LUMO能级与PCBM的匹配度最优（ΔE=0.38 eV），且电子/空穴重组能（λ_e=0.444 eV，λ_h=0.519 eV）显著低于MR，表明其电荷传输阻力更小。分子间π-π堆积距离稳定在3.4-3.5 ?（与C3分子文献一致），且非共价相互作用（NCI）分析显示，设计分子在供体-受体界面形成稳定氢键及范德华作用（λ2值由-0.12 eV增至-0.28 eV），进一步抑制分子聚集导致的电荷复合。

**创新性与应用前景**
本研究首次通过DFT计算系统验证了“供体-π桥-受体”结构中强电子接受基团对光吸收、电荷分离及器件性能的协同优化作用。设计规则可归纳为：（1）引入强电子接受基团（如TTDO）可有效缩小HOMO-LUMO间隙；（2）π桥长度与供体-受体能级匹配度直接影响V_oc；（3）分子极性与非共价相互作用是提升电荷迁移效率的关键因素。实验已验证类似策略在C3-CN衍生物中实现PCE>10%，本研究进一步通过分子工程扩展了材料设计空间，为开发高效、稳定的小分子供体提供了理论依据。未来需合成M1-M4进行器件组装，结合原位光谱与电化学测试验证计算模型的可靠性。

**结论**
该研究成功构建了基于香豆素的D-π-A-D结构供体分子体系，通过电子接受基团的定向引入实现了能量级精准调控、光吸收红移及电荷传输效率的协同优化。设计策略为分子工程优化有机光伏材料提供了可复制的范式，对推动柔性显示、可穿戴能源等新型光电器件的发展具有重要参考价值。