基于Ullazine小分子的有机太阳能电池光电特性设计与性能优化研究

研究人员针对清洁能源需求与光伏材料效率瓶颈，通过DFT计算（B3LYP/6-31G(d,p)）设计6种Ullazine衍生物（UA1-UA6），发现UA6具有最大吸收波长λmax ，UA1/UA4分别展现最优电子/空穴迁移率，为高性能有机太阳能电池（OSCs）开发提供理论指导。

　　

随着全球能源危机与环境污染问题日益严峻，开发高效清洁能源成为当务之急。太阳能作为最具潜力的可再生能源之一，其转换效率与成本始终是制约发展的核心难题。有机太阳能电池（OSCs）因其材料来源广、制备成本低、柔性可穿戴等优势备受关注，但如何通过分子设计提升光电转换效率仍是领域内重大挑战。

在这一背景下，以Ullazine（氮掺杂多环芳烃）为核心的小分子材料因其独特的分子内供体-受体（D-A）特性和优异的光捕获能力进入研究者视野。近期发表在《Journal of Molecular Graphics and Modelling》的研究中，来自国内的研究团队Zeeshana bibi、javed Iqbal等通过理论计算手段，系统探索了基于Ullazine衍生物的新型光伏材料设计策略。

研究团队采用密度泛函理论（DFT）中的B3LYP/6-31G(d,p)方法，对以UAR为母核结构的6种噻吩桥联衍生物（UA1-UA6）进行系统性计算。通过对比不同DFT泛函（包括CAM-B3LYP、MPW1PW91等）的模拟结果，验证了B3LYP在预测UAR分子吸收光谱（λ_max
=466 nm）方面的准确性。研究重点分析了这些分子的几何构型优化结果、前线分子轨道（FMO）能级分布、电荷迁移率等关键参数。

DFT功能验证与结构优化
通过对比实验数据与计算结果，确认B3LYP泛函能准确预测UAR的光学特性。所有衍生物均呈现扭曲构型，这种结构特征显著影响其电子离域与光电性能。

光电特性突破
研究发现：

1. 含氮/硫/羰基/氰基的UA6展现出最宽吸收范围（最大λ_max
   ）
2. UA1具有最优电子迁移率（2.19×10^-3
   cm²
   V^-1
   s^-1
   ）
3. UA4凭借最高HOMO能级（-4.61 eV）和最低电离能（IP=5.71 eV），成为最佳空穴传输材料

分子设计机制
噻吩桥联与末端受体修饰的协同作用被证实可有效增强分子共轭程度，降低带隙，使吸收光谱红移。其中氮原子掺杂诱导的分子内电荷转移效应，是提升光捕获效率的关键因素。

这项研究的重要意义在于：

1. 通过理论计算前瞻性筛选出UA4/UA6等高性能候选材料，大幅减少实验试错成本
2. 揭示了Ullazine衍生物中噻吩桥联长度与末端受体基团的构效关系
3. 为开发效率超过19%的非富勒烯（NF）型OSCs提供了分子设计新范式

研究团队在结论中强调，这类兼具高HOMO能级与平衡电荷传输特性的材料，有望解决OSCs中光吸收范围窄、载流子复合率高等关键问题。未来通过调控Ullazine核的π-共轭扩展与受体单元卤化修饰，或将实现更高效稳定的有机光伏器件。该工作为第三代太阳能电池的分子工程提供了重要理论支撑。