金属卟啉封装单壁碳纳米管中费米能级位移与电荷转移机制及其在高效有机太阳能电池中的应用

这篇研究通过密度泛函理论(DFT)揭示了镍/铁卟啉(NiP/FeP)分子封装于半导体单壁碳纳米管(SWNT17)形成的II型异质结特性。研究表明，金属原子与纳米管间的电荷转移显著提升了光吸收、电荷分离效率和功率转换效率(PCE)，为开发基于填充碳纳米管的高稳定性有机太阳能细胞(OSCs)提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究采用第一性原理计算，重点解析了镍卟啉(NiP)和铁卟啉(FeP)分子在SWNT17纳米管内的封装效应。通过广义梯度近似(GGA)和杂化泛函(HSE06)计算发现，过渡金属原子(Fe/Ni)的引入使体系产生显著的电荷重分布，导致纳米管费米能级位移达0.3eV，这直接关联到体系增强的光电转换性能。

Electronic properties

金属卟啉与碳纳米管的电子耦合产生了两大关键效应：1) 在可见光区(400-700nm)出现新的吸收峰，使光捕获效率提升40%；2) 形成type-II能带对齐，驱动激子快速分离。特别值得注意的是，FeP@SWNT17体系展现出0.5eV的超窄带隙，这归因于Fe-3d轨道与碳管sp²杂化轨道间的强相互作用。

Conclusion

理论计算证实，金属卟啉封装体系通过三大机制提升光伏性能：1) 界面电荷转移诱导的内建电场；2) 扩展的π-π共轭网络增强光捕获；3) 过渡金属d轨道参与的激子解离通道。这些发现为设计PCE>16%的新型有机太阳能电池提供了分子级调控策略。