模拟有机太阳能电池材料中的超快过程

在有机太阳能电池中，碳基聚合物将光转化为传递给受体的电荷。这种类型的材料具有巨大的潜力，但要释放这一潜力，需要更好地了解电荷在聚合物中产生和传输的方式。格罗宁根大学的科学家现在已经通过将分子动力学模拟与量子计算相结合来计算出这种情况是如何发生的，并提供了解释实验数据的理论见解。结果于 3 月 15 日发表在Journal of Physical Chemistry C上。

有机太阳能电池比经典的硅基电池更薄，而且它们很灵活，而且可能更容易制造。为了提高它们的效率，了解电荷如何穿过聚合物薄膜非常重要。“这些薄膜由电子供体和电子受体组成，”格罗宁根大学(荷兰)泽尼克先进材料研究所凝聚态理论组的博士后研究员 Elisa Palacino-González 解释说。'电荷沿着缠结的聚合物链离域，并在低于 100 飞秒的时间尺度上从供体转移到受体。所以，我们需要理论研究和模拟来理解这个过程。

电荷转移

Palacino-González 研究的系统由作为供体的塑料半导体 P3HT 和作为受体的具有 C60“巴基球”的聚合物 PCBM 组成。“我们想知道电荷是如何通过材料传导的，以了解这种材料如何捕获和传输能量。因为如果我们了解这一点，就有可能控制它。该材料的实验研究提供了一些信息，但仅限于本体过程。“因此，我们结合分子动力学模拟来确定材料中分子的运动与量子化学计算，使用时间相关的密度泛函理论对供体聚合物进行原子建模。”

这些理论研究是使用由十二种单体组成的供体聚合物进行的。“我们主要关注供体，以研究材料中的激发是如何发生的。” 分子动力学模拟显示了由于热效应导致的基态运动。Palacino-González 计算了 12.5 皮秒的周期，这足以研究飞秒电荷转移。

实验

“下一步是将量子世界叠加到这些分子上，”Palacino-González 继续说道。为此，她从二聚体开始。“聚合物链中相邻的两个单体会相互作用，它们会互相‘交谈’。这导致了二人组能量水平的分裂，”Palacino-González 解释道。她以哈密顿量的形式创建了二聚体能量的“指纹”，这是一个包含分子系统所有信息的矩阵。“当两个单体以平行方式排列时，两者就会耦合并相互交谈。但当它们呈 90 度角时，相互作用很小。

这样的角度会在分子中形成扭结，从而阻碍能量沿聚合物链的传递。Palacino-González 说：“对由 845 种聚合物组成的模拟材料进行的统计分析表明，其中大约一半完全对齐，而另一半大多有一两个扭结。” 她从二聚体计算出 12 聚体(由 6 个二聚体组成)的哈密顿量。她的计算包括 12 聚体供体聚合物中不同数量的扭结。“这些研究显示了聚合物的能量分布，并为我们提供了一个真实的模型来描述材料所产生的环境对受体聚合物混合物光谱信号的影响，这与目前对这些材料的实验直接可比。”

写实描述

尽管该模型是有限的，因为它只允许单体与其直接邻居相互作用，但结果提供了对实验结果的重要见解。“我们的计算是根据第一原理进行的，这是第一次对这种材料进行这样的分析，包括对混合环境的真实描述。这意味着我们现在可以帮助解释 P3HT/PCBM 混合物的实验研究产生的光谱。例如，我们可以展示尺寸分布如何改变激光激发产生的光谱，”Palacino-González 说。“我们现在能够观察从供体到受体的超快电荷转移过程。这将激发对有机光伏的理论研究，并帮助实验者理解他们的结果。

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