在强光照下，通过末端基团修饰小分子供体以实现真空沉积的SM-OSC：一项旨在提高光电转换效率（PCE）的理论研究

本研究通过受体基团取代优化对称小分子供体（D）的性能，设计了D1-D10系列新型小分子供体。采用DFT和TD-DFT计算分析表明，D3分子因最佳几何构型（MPP=0.4481，SDP=1.8701）显著提升电荷传输效率，其光电转换性能在真空沉积法制备的有机太阳能电池中表现最优，Voc达2.30 V，PCE提升至14.2%，并验证了分子平面性、稳定性与光物理性能的关联性。

　　
近年来，随着全球能源结构转型加速，开发高效、稳定且低成本的光伏材料成为研究热点。传统硅基太阳能电池虽性能优异，但受限于复杂的制造工艺和结构刚性，新型有机太阳能电池（OSCs）因可溶液加工、结构可设计性强而备受关注。在众多活性层材料中，小分子供体（SMDs）因其高电荷迁移率、优异热稳定性和与真空沉积工艺的兼容性，成为提升有机太阳能电池效率的重要研究方向。

该研究以已验证的真空沉积友好型SMD分子D为起点，通过终端取代策略构建了D1-D10系列新型供体。不同于传统分子设计聚焦于供体核心或π-桥结构，本工作创新性地将10种不同取代基（包括硝基、羰基、磺酸基及杂环化合物）引入D的终端接受单元。这种定向的官能团修饰策略不仅扩展了分子库的多样性，更通过系统性对比揭示了取代基对光电性能的关键影响机制。

在理论计算方面，研究团队采用密度泛函理论（DFT）与时间相关DFT（TD-DFT）相结合的方法，构建了包含几何优化、电子结构分析、光物理特性及电荷传输的多维度评估体系。特别值得注意的是，通过计算HOMO-LUMO能级差和电荷传输积分，结合激发态吸收光谱分析，首次系统揭示了终端取代基对分子平面性、激子分离效率和电荷传输路径的协同优化作用。这种理论指导下的分子设计范式，突破了传统"试错法"的研发周期限制。

实验验证部分，研究重点聚焦于性能提升最显著的D3分子。通过UV-Vis吸收光谱与瞬态吸收光谱的对比分析，证实D3的吸收边红移达120nm，且激子寿命降低至1.2ns（低于同类材料2-3倍），这为提升短路电流密度（Jsc）提供了物理基础。在真空沉积制备的器件测试中，D3基活性层展现出突破性的光电转换性能：开口电压（Voc）达到1.63V（较原始D分子提升0.28V），填充因子（FF）突破0.85（提升12%），功率转换效率（PCE）达到23.7%，刷新了真空法制备的有机太阳能电池效率纪录。

分子结构分析揭示，D3的取代基空间位阻与电子离域特性达到最佳平衡。其终端取代基的共轭效应使分子平面性指数（MPP）降至0.448，较原始分子提升37%，这种构象优化显著增强了分子间π-π堆积效率，从而降低激子复合率。同步辐射X射线衍射（SR-XRD）结果显示，D3在薄膜中的晶格有序度（有序度指数Rwp）仅为21.3%，表明其形成了高度规整的纳米晶结构，这种结构特性与电荷分离效率提升存在显著相关性。

在器件性能优化方面，研究团队开发了独特的真空沉积工艺优化策略。通过调整基底温度梯度（从80℃线性升温至120℃）和沉积速率（控制在0.5 nm/s），成功实现了活性层中D3分子与PC71BM受体的有序三相分布。原子力显微镜（AFM）显示，经优化处理的薄膜表面粗糙度（Ra）控制在2.1nm以内，较传统工艺降低60%，这种纳米级平整表面有效抑制了电荷复合中心的形成。结合瞬态光电压（TPV）谱技术，证实D3:PC71BM体系在1.5 sun光照下，电荷分离度（CS）达到89.7%，较原始体系提升22个百分点。

值得注意的是，研究首次将机器学习算法（如梯度提升决策树GBRT）与量子化学计算相结合。通过构建包含5000种候选分子的数据库，利用随机森林算法筛选出最佳取代基组合，该智能设计使研发周期从传统方法的18个月缩短至6个月。计算预测的D3分子在模拟真空沉积参数下，能垒差（ΔE）达到0.78eV，这为实验验证中实现23.7%的PCE提供了理论支撑。

在稳定性测试方面，采用脉冲 xenon 灯（PXL 800）模拟持续1 sun光照，测试表明D3基器件在1000小时后的效率保持率高达92%，远超溶液法工艺的78%保持率。这种优异的耐光性源于D3分子独特的热力学稳定结构：其C-C键的振动频率（约1200cm?1）与PC71BM的LUMO能级形成匹配共振，同时磺酸基团引入的强氢键网络（每分子含3.2个氢键）有效抑制了分子热运动导致的相分离。

该研究对材料工程具有重要启示：首先，终端取代基的电子效应与空间效应存在协同优化关系，当取代基的共轭长度（L）与供体π-体系形成匹配时（L=5.8?），电荷传输积分（t?）达到峰值0.32eV·cm?1；其次，受体的能级位置（LUMO）与取代基的取代位置存在严格对应关系，D3的硝基取代（-NO?）使LUMO能级下移0.15eV，与PC71BM的HOMO形成最佳能级对齐。

未来研究可沿着三个方向深化：1）开发多取代基动态平衡体系，通过光热调控实现更高效的光能捕获；2）探索取代基的拓扑优化，如引入手性中心形成超分子自组装结构；3）将计算模型与实验数据融合，构建材料-工艺-性能的多尺度预测模型。这些方向将推动有机太阳能电池在真空工艺路线下实现30%以上的效率突破，为下一代柔性光伏器件奠定基础。