基于咔唑(D–π)?-D–π–A架构的协同分子设计：染料敏化太阳能电池的实验与理论评估

本研究针对金属有机染料在DSSCs中效率不足的问题，通过构建含3,6-二取代咔唑与苯并咪唑辅助供体的(D–π)?-D–π–A结构染料（IMZ-1至IMZ-4），系统探究了噻吩/呋喃π桥及N-己基取代对光电性能的影响。实验与理论计算表明，噻吩桥联染料（IMZ-3）具有最优电荷分离特性（Rrec=21.27 Ω）和5.53%的光电转换效率，为高性能有机敏化剂设计提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其低成本和高环境兼容性成为光伏领域的研究热点。然而，传统钌基染料存在资源稀缺和毒性问题，而有机染料又普遍面临电荷复合严重、光吸收范围窄等挑战。针对这一瓶颈，研究人员聚焦咔唑衍生物的分子工程，通过精确调控供体-π桥-受体（D-π-A）结构，试图开发兼具高效率和稳定性的新型敏化剂。

研究团队设计合成了四种基于(D–π)?-D–π–A架构的有机染料（IMZ-1至IMZ-4），核心创新在于将3,6-二取代咔唑作为主供体，苯并咪唑为辅助供体，并对比研究了噻吩/呋喃π桥及N-己基取代的协同效应。研究采用紫外-可见光谱（UV-Vis）和循环伏安法（CV）分析光电性质，结合密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）计算电子结构，并通过电化学阻抗谱评估界面电荷传输特性。

【材料与试剂】部分显示所有中间体与终产物均通过核磁共振（¹H/¹³C NMR）和质谱（MS）严格表征。【合成部分】详细阐述了通过多步缩合反应构建含杂环π桥的关键步骤，其中IMZ-1/IMZ-3采用噻吩桥，IMZ-2/IMZ-4采用呋喃桥，且后两者引入N-己基以抑制分子聚集。

【Photovoltage evaluation】结果显示：噻吩桥染料展现出显著优势——IMZ-3的电荷复合电阻（R_rec）达21.27 Ω，远高于基准染料IMZ-CZB（11.50 Ω），这归因于己基链的立体阻碍效应。TD-DFT计算证实其更窄的带隙（2.41 eV vs 呋喃桥的2.57 eV）和更强的π电子离域，导致吸收红移至483 nm。最终IMZ-3实现5.53%的PCE，且在1000小时老化后保持99.7%效率，创下咔唑类染料稳定性纪录。

【Thermogravimetric evaluation】热重分析表明所有染料在300-350°C才发生分解，满足实际应用需求。【结论】部分强调：噻吩桥的强共轭性与N-己基的立体调控形成完美平衡，既促进电荷转移又抑制复合。该研究发表于《Journal of Molecular Structure》，为设计高效长寿命DSSC敏化剂提供了普适性策略——通过π桥化学修饰与烷基链工程协同优化分子平面性和电子耦合程度。