多给电子体二茂铁基染料用于染料敏化太阳能电池的设计与计算研究：基于DFT和TD-DFT的光电性能优化

《ChemistrySelect》：Design and Computational Investigation of Multi-Donor Ferrocene-Based Dyes for DSSC: A DFT and TD-DFT Study for Optoelectronic Optimization

　　

摘要

本研究是一项理论研究，探讨了一系列具有D–D′–π–A–D″–A′架构的线性推拉式茂基染料（D0–D5），这些染料专为染料敏化太阳能电池（DSSCs）设计。采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）计算，系统评估了各种富电子杂环末端供体基团（D″）的影响。研究展示了明确的构效关系：通过精确调控D″基团，可以有效地调节吸收光谱，产生逐步的红移效应，使D4和D5染料的吸光范围延伸至近红外区域。电子密度、分子静电势（MESP）和自然键轨道（NBO）分析证实，这种红移与增强的分子内电荷转移以及供体茂和受体之间有效的电荷分离有关。所有染料均表现出热力学有利的电子注入（ΔG_inj < 0）和可行的染料再生（ΔG_reg）能。虽然D5表现出最大的红移吸收和最高的捕光效率（LHE = 0.97），但D2和D3染料脱颖而出，成为最有希望的候选者，它们在理论开路电压（V_oc）、激发态寿命（τ）和填充因子（FF）之间提供了最佳平衡。本工作提供了坚实的理论基础，表明战略性的供体修饰是实现光谱调制的有力工具，并指导高性能茂基敏化剂的设计。

图形摘要

从Dye0到Dye5，能隙从2.79逐步降低至2.24 eV，而捕光效率从0.78增加至0.97。与此同时，最大吸收波长从455 nm红移至532 nm。这种光学性质的系统调控展示了增强的光捕获能力，突出了这些染料在高效光伏器件中的潜力。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在本文的补充信息中获取。