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为解决非稠环电子受体（NFREAs）在有机太阳能电池（OSCs）应用中面临的分子平面性低、电荷复合高和电荷转移效率低等问题，研究人员设计 8 种新 NFREAs（CP1-CP8）并评估其光伏性能，发现修饰可提升性能，为 OSCs 提供潜在材料。
在能源领域，一场无声的革命正在悄然上演。随着全球人口的爆炸式增长，能源危机的阴影愈发浓重，寻找可再生、清洁的能源迫在眉睫。太阳能，这颗来自宇宙的 “能量宝石”，一直滋养着地球上无数的生命。有机太阳能电池（OSCs），作为能将太阳能转化为电能的神奇装置，近年来备受科学界瞩目。
高性能材料的不断涌现，让有机太阳能电池的功率转换效率（PCE）有了显著提升，部分报道中其效率已超 19%。其中，非富勒烯受体（NFAs）功不可没，像 ITIC、Y6 及其衍生物，凭借出色的光伏性能，成为 NFAs 中的佼佼者。然而，NFAs 的合成过程复杂，不仅成本高昂，反应条件也极为苛刻。
非稠环电子受体（NFREAs）的出现，似乎为解决这些问题带来了曙光。它的化学合成路线相对简单，这得益于其各单元之间的 C-C 单键 。但 NFREAs 自身也存在诸多挑战，比如分子平面性低，由 C-C 单键连接的共轭主链不利于形成高效共轭结构；分子构象不稳定，影响分子堆积效率，还伴随着高电荷复合和低效电荷转移等问题。为了让 NFREAs 更好地服务于有机太阳能电池，科研人员一直在探索有效的解决办法。此前，已有研究提出引入分子内非共价键形成构象锁，以及使用大位阻侧链来改善分子平面性和稳定性，但仍有很大的提升空间。而且，与成本不断下降的商业硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池面临着成本高和商业化困难的挑战。在这样的背景下，设计高性能的 NFREAs 成为科研人员追求高效太阳能电池广泛应用的关键。
中国的研究人员受到 Han 等人报道的 NFREA（PTR-4Cl）的启发，开启了一项极具意义的研究。他们以 PTR-4Cl 为基础，进行简化得到参考（R）分子，通过封端修饰的方法，用不同的受体单元替换参考分子的端基，理论设计并修饰了 8 种 NFREAs（CP1-CP8） ，旨在探索它们在有机太阳能电池中的光伏性能和电荷转移能力。这项研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上，为有机太阳能电池材料的发展提供了新的方向。
研究人员主要运用了密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）这两种关键技术方法，借助 Gaussian 09 软件进行理论和计算分析。通过 VMD 1.9.4 和 Multiwfn 软件处理图形分析和数据，如基态结构、分子静电势（MEP）和前线分子轨道（FMO）等数据 ，从多个角度对设计的分子进行评估。
几何优化分析
优化后的分子几何结构与它们的光电性能密切相关。研究人员在 PBE0/6-311g (d,p) 理论水平下，运用 DFT 进行几何优化。结果显示，封端修饰对分子结构产生了重要影响。优化后的结构表明，修饰有助于提高分子的平面性，而分子平面性的提升对于增强分子的电荷转移性能和自组装能力至关重要。
光伏性能评估
从光伏性能来看，研究发现不同的修饰对分子的各项性能指标影响各异。CP2 展现出最低的 HOMO-LUMO 能隙（1.693 eV）、激发能（1.338 eV）和结合能（0.274 eV） ，这意味着它在电荷转移和吸收光能方面具有潜在优势。CP7 在所有参数上表现较为平衡，显示出综合性能的优势。而 CP4 则在开路电压和功率转换效率方面表现突出，其开路电压高达 1.767 eV，功率转换效率达到 33.31% 。这些结果表明，封端修饰能够有效调节分子的光伏性能。
其他性能分析
除了上述性能，研究人员还进行了其他分析。结果证实，封端修饰改善了分子的光电子性能。修饰后的分子在吸收光谱上发生红移，这意味着它们能够吸收更广泛范围的光，提高对太阳能的利用效率。同时，电荷转移能力也得到增强，有利于提升有机太阳能电池的整体性能。
研究人员通过对 8 种新型非稠环电子受体（NFREAs）的设计和理论评估，得出封端修饰能够显著改善分子平面性、降低能隙和结合能、增强吸收和电荷传输能力的结论。其中，CP2、CP4、CP6 和 CP7 在多个性能指标上表现优异，展现出卓越的光学响应、更高效的电荷分离和更低的能量损耗。这一研究成果为有机太阳能电池的发展提供了更具竞争力的候选材料，有助于推动有机太阳能电池在实际应用中的广泛发展，为缓解能源危机贡献了重要力量。同时，该研究也为后续非稠环电子受体的设计和优化提供了宝贵的经验和理论依据，在有机太阳能电池材料领域具有重要的指导意义。
