硫族元素取代氟化π共轭体系：DFT揭示光电子特性、发光行为及光伏性能的设计新策略

本研究针对有机太阳能电池（OSCs）中材料带隙调控的挑战，通过DFT/TD-DFT计算系统研究了苯并二呋喃二酮-羟吲哚骨架的氟化低带隙π共轭体系。通过硫族元素（O/S/Se）梯度取代，发现Se取代物（M3）因增强的π共轭和原子极化率显著红移吸收/发射光谱至近红外（NIR），并实现7.00%的功率转换效率（PCE）。结合Hirshfeld表面、RDG和QTAIM分析揭示了氢键/范德华力等非共价相互作用（NCIs）对分子堆积的调控机制，为高性能OSCs材料设计提供理论基石。

　　

专业翻译：
氟原子凭借其强吸电子特性，可有效调控有机分子的电子结构，降低前沿分子轨道（FMO）能级。本研究采用密度泛函理论（DFT）及含时DFT（TD-DFT）计算，探究以苯并二呋喃二酮为核心、连接羟吲哚单元的氟化低带隙π共轭体系。通过中心骨架硫族元素（氧/硫/硒）的梯度取代，发现从氧到硒的取代导致吸收光谱和光致发光光谱红移，这源于增强的π共轭作用及原子极化率升高导致的最高占据分子轨道-最低未占分子轨道（HOMO-LUMO）能隙缩小。其中硒取代体系（M₃）展现出最显著的红移光学特性，成为近红外（NIR）应用的理想候选。

体异质结（BHJ）器件测试显示最高功率转换效率（PCE）达7.00%，彰显其在高性能有机太阳能电池（OSCs）中的应用潜力。通过Hirshfeld表面分析、约化密度梯度（RDG）散点图及分子中的原子量子理论（QTAIM），表征了氢键和范德华力等非共价相互作用（NCIs）对分子堆积及稳定性的调控机制。电子定域化函数（ELF）和定域化轨道指示器（LOL）分析进一步阐明共价与非共价相互作用的动态平衡如何主导光电子行为。该研究为新一代氟化低带隙材料的设计提供了关键理论依据，推动高效OSCs的发展。