有机太阳能材料光电转换机制的动态模拟研究

本项目拟结合模型量子化学方法（如Hubbard、PPP等）和分子动力学方法，通过严格处理π电子的相关作用，对有机太阳能电池模型体系的光电转换的几个关键步骤（受光辐射产生激子、激子的扩散与分离以及空穴与电子的被电极收集）进行动态模拟。由于本项目的模拟方案采用了一些新近发展的高精度量子多体数值方法和非绝热分子动力学方法，克服了一般量子化学方法难于处理大分子π电子多组态相互作用和分子多个势能面的耦合的困难，有望从理论上描述清楚有机太阳能电池中的光电转换机理，找到影响其光电转换效率的几个主要因素，从而给实验科学家提高光电转换效率提供新的分析与控制的理论与技术。

尽管有机太阳能电池发展已逾30年，由于其材料的高度复杂性，其激子的形成与解离机理依然是近年来国际上的研究难点与热点。本项目凭借包括自行发展的量子化学新方法在内的多种理论方法的结合对相关问题进行了探索研究，得到了以下结果：(1)首次在理论上发现电子给体/受体界面的电荷转移激发态可由基态直接激发产生，并发现电荷分离通过长程电荷转移而非目前广泛假定的近程电荷转移在能量上更有利；(2)首次发现即便对于非轨道简并的分子体系，每个电子给体或受体分子也可以有多个分子轨道参与光物理化学过程，可大幅提高光电转换效率；(3)首次实现对真实无定形高分子材料中的电子激发态的第一性原理计算，并发现仅根据共轭中断（空间折叠和非平面）来定义激子的空间分布很多时候是不正确的，颠覆了人们对于高分子激发态的传统认识；同时还发现此类材料的链间激子转移应主要是跳跃机制而非能带机制；(4)发展了基于子块的从头算重整化激子方法，避免了传统方法对整个大体系的昂贵直接求解，使得以有限的计算量计算更大的分子聚集体的电子激发性质变得可能。上述结果为人们进一步正确理解有机太阳能电池的光电转换机制并实现高精度定量模拟与性能调控提供了有益的理论参考。