掺杂第三组分细菌叶绿素BChl-2增强有机太阳能电池电荷分离与转移机制研究

本研究系统探讨了以细菌叶绿素衍生物BChl-2作为第三组分构建三元有机太阳能电池（T-OSCs）的电荷分离与传输机制。通过量子化学计算揭示其提升短路电流（JSC）、填充因子（FF）及能量转换效率（PCE）的关键作用，为高效T-OSCs的设计提供理论依据。

　　

Method

所有分子的基态与激发态性质均采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）进行计算。为最大限度匹配实验数据，我们使用多种泛函（包括B3LYP、M06-2×、PBEPBE和ωB97XD）对MZ-1和MZ-2分子结构进行优化，计算结果详见表S1。对比表明基于B3LYP泛函的计算结果与实验值最为吻合，因此后续研究均采用B3LYP/6-31G(d,p)方法进行几何优化与电子结构分析。激发态计算则通过TD-DFT方法完成，并采用IEFPCM溶剂化模型模拟氯仿溶液环境。

Electronic structure of monomer molecules

所有研究分子（PM6、BChl-2、MZ-1和MZ-2）的分子结构式与优化构型如图1所示。PM6以4,8-双(5-(2-乙基己基)-4-氟噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）为给体单元，1,3-双(噻吩-2-基)-5,7-双(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮（BDD）为受体单元构成D-A共聚物。通过测量结构中典型二面角（图中标注）发现，MZ-2比MZ-1具有更优异的平面性，这有利于分子间π-π堆叠和电荷传输。

Conclusion

本研究从微观角度系统揭示了第三组分BChl-2提升有机太阳能电池（OSCs）性能的作用机制。研究表明，与MZ-1相比，MZ-2与PM6的能级匹配度更高，有利于界面电荷转移。BChl-2具有卓越的平面刚性结构和空穴注入能力，其掺杂可改善分子堆叠并促进电荷分离。所有分子呈现互补吸收光谱，有效拓宽可见光捕获范围。BChl-2的引入不仅增加电荷传输路径，还形成具有更高分离率的D/A界面，显著提升电荷转移效率。其优异的电荷迁移率对提高器件J_SC和FF具有重要贡献。该工作为设计高效三元有机太阳能电池（T-OSCs）提供了理论指导与创新方案。