基于BODIPY的给体-受体-给体分子计算设计及其在有机太阳能电池中的增效机制研究

【编辑推荐】本研究针对有机太阳能电池(OSCs)效率瓶颈问题，通过密度泛函理论(DFT)和含时DFT(TD-DFT)计算，设计出以BODIPY为核心、分别连接CPDT/DTP/DTS给体单元的新型D-A-D分子。结果显示BP-DTS分子具有更窄的能隙(2.4→更低)、红移吸收光谱及更高光捕获效率(LHE)，为开发高效稳定OSCs材料提供理论指导。

　　

在可再生能源革命浪潮中，有机太阳能电池(Organic Solar Cells, OSCs)因其轻质、柔性和低成本特性成为研究热点。然而，传统OSCs的功率转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)长期徘徊在9-10%区间，核心瓶颈在于缺乏兼具宽光谱吸收与高效电荷分离特性的活性层材料。BODIPY(硼二吡咯亚甲基)作为明星光敏单元，虽具有503 nm特征吸收峰和2.4 eV能隙，但其原始性能仍无法满足需求。Ting Wei团队此前通过3,5,8位点修饰开发出BP-R分子，证实了给体-受体-受主(Donor-Acceptor-Donor, D-A-D)架构的增效潜力，但如何通过理性设计进一步突破性能极限仍是悬而未决的科学问题。

为此，King Saud University的研究团队采用计算化学手段，创新性地设计出三种BODIPY基D-A-D分子：分别以环戊二噻吩(CPDT)、二噻咯并吡咯(DTP)和二噻吩硅杂环戊二烯(DTS)为给体单元，构建出Y型拓扑结构的BP-CPDT、BP-DTP和BP-DTS分子。通过系统性密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)和含时DFT(Time-Dependent DFT, TD-DFT)分析，发现这些分子展现出三大突破性特征：能隙较BP-R进一步降低、吸收光谱红移覆盖更宽太阳光谱区、光捕获效率(Light-Harvesting Efficiency, LHE)显著提升。其中BP-DTS因硅原子引入增强的σ*-π*共轭效应，成为最具应用前景的候选分子。该成果发表于《Synthetic Metals》，为第三代光伏材料开发提供了全新设计范式。

研究采用Gaussian 09软件进行分子建模与优化，通过对比实验数据筛选最优计算方法。关键分析包括：前沿分子轨道(Frontier Molecular Orbitals, FMOs)能级计算评估电荷分离能力；化学势/电负性参数预测分子间相互作用；分子静电势(Molecular Electrostatic Potential, MEP)映射揭示电荷分布特征；偶极矩(μ)和极化率(α)量化分子光电响应特性。所有计算均以BP-R为参照基准，确保结果可靠性。

电子性质
FMOs分析显示，BP-DTS的HOMO-LUMO能隙较BP-R缩小12%，归因于DTS单元增强的电子给体强度。MEP图谱证实3,5位点呈现显著负电势区，利于与PC₇₁BM受体的界面电荷转移。

光学性质
TD-DFT计算表明BP-DTS在650-750 nm区出现新吸收带，源于DTS→BODIPY的分子内电荷转移(Intramolecular Charge Transfer, ICT)效应增强，其振子强度提高23%。

结论与讨论
该研究证实Y型D-A-D拓扑结构通过三维共轭扩展可同步优化光吸收与电荷传输性能。BP-DTS分子展现的2.1 eV窄带隙与1.8倍于BP-R的LHE值，使其理论PCE提升空间达15%以上。特别值得注意的是，硅杂环的引入显著改善分子结晶性，这对解决OSCs长期存在的形态稳定性问题具有启示意义。未来研究可沿此方向探索更多主族元素修饰策略，推动OSCs商业化进程。