纳米结构光电转换材料的多尺度模拟研究

Solar cell technology is being recognized as an essential component of future renewable energy production. Searching for high-efficiency photovoltaic devices has always been one of the hottest topics in the field of energy science. In the proposed project, we will focus on next-generation solar cells based on several emerging photoelectric conversion materials, including nanostructured semiconductor photovoltaic materials, organic photovoltaic materials, and etc. We will develop and employ highly efficient and accurate multiscale simulation tools to model the energy conversion processes in next-generation solar cells, deeply understand the physical mechanisms in surface plasmon enhanced solar cells, quantize the relationship between structural properties and overall performance for photovoltaic devices. Based on the simulations of coupled optical-electrical processes, we will explore the performance dependency of these photoelectric conversion materials on the array packing or phase-separation morphology at the nanoscale, different device architectures, plasmonic structures with different materials, geometrical shapes and densities. This can provide more information and ideas for the rational design of novel and highly efficient solar cells.

太阳能电池技术将成为未来可再生能源生产的重要组成部分，因此发展高效的光伏器件一直是能源科学领域的研究热点。本项目拟面向基于新型光电转换材料和器件结构的太阳能电池体系，包括纳米结构半导体电池及有机光伏电池等。发展准确高效的多尺度理论方法模拟新型太阳能电池能量转换基本过程，深入理解表面等离激元效应增强光电转换效率的物理机理，分析光电转换材料结构性质与光伏器件整体性能间的定量关系。基于对光学和电学相结合的多物理过程的模拟研究，探索调控新型光电转换器件性能的因素，例如纳米尺度阵列结构的堆积方式或共混相分离形貌、等离激元结构材料的几何形状及分布密度、不同器件架构等，从而为制备新型太阳能电池提供优化设计思路。

光电化学转化技术的发展取决于材料及器件结构的不断革新，而理论模拟方法在先进材料研发过程中起到了越来越重要的作用。本项目中，我们结合第一性原理方法、电动力学模拟方法、器件尺度电荷输运模型、表界面处化学反应及物质吸附动力学等，发展了多种新的理论模拟方法，例如连续介质模型/细致平衡模型耦合方法、量子力学/电动力学耦合方法及连续双电层模型等。基于这些多尺度或多物理模拟方法，我们研究了太阳能电池串并联架构、等离激元太阳能电池、半导体/液体界面双电层结构及光探测器等新型光电化学转化体系，高效而准确地模拟了界面处复杂的电荷与电磁场间相互作用。我们首先结合连续介质模型和细致平衡原理，成功筛选与无机钙钛矿子电池配对的串联器件底层子电池材料，分析顶部无机钙钛矿子电池厚度和底部子电池的能隙对器件整体性能的影响。我们进一步利用相关计算模拟算法研究了基于钙钛矿材料的光探测器性能。我们发展新的多尺度连续介质双电层模型，模拟半导体/电解质溶液体系，分析电荷与电场间相互作用对界面化学反应进程的影响，继而模拟界面处电势-酸碱度相图及半导体平带电位等重要光电化学性质。我们发展并完善了多尺度量子力学/电磁学耦合方法，研究等离激元太阳能电池及纳米尺度电子器件等，定量分析等离激元散射和硅基纳米线阵列等光捕获效应增强器件光电性能的机制。此外，我们还将相关理论模拟方法及研究经验成功拓展到有机发光材料的研发中，利用第一性原理方法研究不同发光材料的激发态动力学性质，分析具有热活化延迟荧光和聚集诱导发射特性的有机分子在不同聚集环境下的发光性能。综上所述，我们利用新发展的几种理论方法成功地模拟了一些先进的光学管理技术（例如表面等离激元、串并联器件架构等）在新型太阳能电池体系中的应用，研究了电荷与电磁场间相互作用对半导体/液体界面处双电层结构性质的影响。这些理论模拟研究可以筛选先进材料及优化体系结构，并最终促进先进能源材料体系的设计与开发。