基于BTBT的π共轭分子功能化设计及其在有机太阳能捕获中的DFT/TD-DFT研究

本研究针对有机太阳能电池（OSCs）中非富勒烯受体（NFAs）的光捕获效率不足问题，通过DFT和TD-DFT方法设计四种新型BTBT衍生物（M1-M4）。结果表明，功能化分子HOMO-LUMO能隙降至1.95-2.10 eV，吸收红移至636.82 nm，且激发态寿命延长至2.48 ns，Voc达1.15 V，为高性能OSCs开发提供理论指导。

　　

在能源危机与环保需求的双重驱动下，有机太阳能电池（OSCs）因其成本低、柔性好和制备简单等优势成为研究热点。然而，传统富勒烯受体存在吸收范围窄、能级调控困难等瓶颈，而非富勒烯受体（NFAs）的分子设计仍面临光捕获效率不足的挑战。以Walid Taouali和Kamel Alimi为首的研究团队瞄准这一关键问题，选择具有优异π-π堆叠特性的苯并二噻吩并噻吩（BTBT）为核心，通过末端电子受体功能化策略，开发出四种新型NFAs分子，相关成果发表在《Scientific African》上。

研究采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）作为核心方法，通过B3PW91/DGDZVP泛函优化计算框架，结合导体极化连续模型（CPCM）模拟溶剂效应。团队首先验证了参考分子MR的HOMO-LUMO能隙（3.22 eV）与实验值偏差仅0.04 eV，随后系统分析了M1-M4的几何结构、电子特性和光伏参数。

几何与电子结构分析

所有设计分子均呈现近平面构型（二面角179.50°-179.87°），C-C键长1.42 ?表明强π共轭。分子静电势图显示末端氰基（-CN）和羰基（C=O）形成显著电子缺失区（红色），而M4因双氰基茚酮（CPTCN）修饰展现最强极化（偶极矩2.02 D）。

能级与重组能

ΔSCF计算显示M4的HOMO-LUMO能隙最低（1.95 eV），电子重组能（λ_e）仅0.148 eV，显著低于MR（0.287 eV）。FMO分析证实HOMO主要分布于给体核（47.70-51.48%），LUMO集中于受体末端（29.40-31.64%），这种空间分离有利于电荷转移。

光学性能

TD-DFT模拟揭示M4在甲苯溶剂中吸收最大红移至636.82 nm（MR为397.12 nm），振子强度（f）达2.49，激发态寿命（τ）延长至2.44 ns。光捕获效率（LHE）接近1（0.996），表明其优异的太阳光捕获能力。

电荷转移机制

过渡密度矩阵（TDM）显示非对角区域占主导，证实给体-受体间存在定向电荷转移。电子-空穴分析进一步揭示电子在π桥-受体连接碳区域富集，而空穴分布于给体单元，这种空间分离有效抑制复合。

光伏参数

以PTB7-Th为给体时，M3的V_oc最高（1.15 V），而M4的填充因子（FF）达0.886。重组能降低与能隙缩小协同作用，使所有设计分子的理论光电转换效率显著提升。

这项研究通过精准的分子工程，证实BTBT核心功能化可同步实现能隙调控、光吸收拓展和电荷传输优化。M4分子展现的窄能隙（1.95 eV）、强吸收（636.82 nm）和低重组能（0.148 eV）特性，为开发高效OSCs材料提供了新思路。特别值得注意的是，双氰基茚酮修饰策略通过增强分子内非共价相互作用（RDG分析证实），实现了构象稳定与电荷分离的平衡。该成果不仅深化了对D-A型分子构效关系的理解，更为未来高性能NFAs的设计建立了可量化的理论模型。