新型能源材料的多尺度量子力学/电动力学模拟研究

Searching for secure, green and sustainable energy is one of the most important scientific and technical challenges. For addressing the energy crisis, it is crucial to develop advanced materials and devices to satisfy the requirements of these new energy systems. Computer simulation plays an increasingly important role in the research and development of new materials and devices. In the proposed project, we will develop and employ the multiscale quantum mechanics / electromagnetics (QM/EM) simulation tools to model the interaction between charge and electromagnetic field, and to investigate the energy conversion mechanism in several new energy systems, for instance, optoelectronic devices and piezotronic materials. The structure-performance relationship for electronic devices will be explored to provide theoretical guides in the design of new materials and devices. The proposed QM/EM method would be an indispensable component of next generation modeling tools for the material design.

寻找安全、绿色和可持续的能源具有重要的战略意义。研究和开发满足这些新能源系统要求的材料、技术和器件是当前最重要的科学和技术挑战，而计算机模拟技术已经成为发现新型材料和器件研发最为重要的方法之一。本项目拟利用新发展的多尺度量子力学/电动力学(QM/EM)计算方法模拟在不同尺度下电荷体系与外电磁场的相互作用，研究新能源系统的能量转化过程（例如太阳能电池的光能-电能转化、压电器件的机械能-电能转化等），探索器件材料的物理化学结构与性能之间的关系，为设计和开发新型能源材料和器件提供理论帮助，最终发展多尺度模拟方法成为先进材料体系研发的重要工具。

近年来，人们在发展新型太阳能电池及光电功能材料方面取得了很大进展。理论方面，为了准确地描述光电功能材料的性能，我们不仅需要充分考虑材料原子组成的量子力学效应，还需要掌握复杂的电磁场环境及其与电荷间的相互作用。在本项目中，我们发展和完善了多尺度或多物理模拟方法，例如量子力学/电动力学（QM/EM）耦合方法等，用以研究纳米结构太阳能电池、等离激元太阳能电池、有机太阳能电池和金属有机配合物光电功能材料等新型能源材料及器件。通过高效而准确地模拟复杂材料内电荷与电磁场的相互作用，我们可以预测太阳能电池光电转化效率，系统研究光电功能材料结构与性能间关系。我们的研究结果表明，串联电池架构及表面等离激元增强等效应均可显著提高太阳能电池的光电转化效率。我们定量分析了等离激元太阳能电池的结构因素，例如等离激元光聚焦空间分布、半导体纳米线阵列密度等，对电池光电转化性能的影响。此外，我们利用第一性原理方法模拟了金属有机配合物光电功能材料，定量分析了光电材料的能带结构及电子转移等性质，均与实验结果符合得很好。我们发展的多种理论模拟方法可以成为新型能源材料体系研发的重要工具，进而为实验方面筛选先进材料及优化器件结构提供理论依据。