高效有机太阳能电池给受体界面激子分离过程的理论研究

Effective dissociation of excitons into mobile charge carriers at the donor/acceptor (D/A) interface is one of the key factors to realize high power conversion efficiencies for organic solar cells. At present, the exciton-dissociation mechanism is yet completely understood; in particular, the role of hot excitons is being argued. This project aims to reveal the dominant mechanisms for exciton dissociation at the D/A interface in organic solar cells by means of quantum-chemical and molecular dynamics approaches. For this purpose, we make a reliable assessing and comparison of every exciton-dissociation channel at the organic D/A interface, through analyzing the electronic-structure properties for the molecular excited states and the complex charge-transfer states, and evaluating the electronic couplings and reaction rates between the molecular excited states and the complex charge-transfer states. We will investigate the impact of molecular chemical structures (mainly for donors), relative orientations and positions between the D and A molecules, stacking structures of the D/A aggregates, and dynamic disorders on exciton dissociation at the organic interface. It is expected to be helpful for experiment to further optimize the molecular design and device structures to improve the efficiencies of organic solar cells.

激子在给受体界面有效分离生成自由电荷载流子是有机太阳能电池实现高效光电转换的关键因素之一。目前对激子分离的机制还未完全理解，特别是对热激子的作用还有争议。本项目拟通过量子化学与分子动力学方法揭示有机太阳能电池给受体界面激子分离的重要机制。方法的中心思想是通过分析有机给受体界面的分子激发态与复合物电荷转移态的电子结构性质、计算分子激发态与复合物电荷转移态之间的电子耦合以及反应速率，从而可靠评价比较激子分离的各种途径。项目将深入研究给受体分子的化学结构（主要是给体分子）、界面给体与受体分子间的相对取向和位置、给受体分子的聚集堆积结构、以及界面结构的动态无序性等对激子分离的影响，从而帮助实验进一步优化分子设计和器件结构提高有机太阳能电池的光电转换效率。

有机给/受体界面激子分离产生自由电荷对有机太阳能电池实现光电转换具有核心作用，而激子分离的机制存在很大争议。本项目通过计算典型有机光伏给/受体界面的激发态性质和电荷转移过程，深入地研究和理解了激子分离的机制。取得以下主要进展：（1）计算了DTDCTB/C60界面S1激子到不同能级电荷转移态的速率以及电荷复合速率，揭示高能级即热的电荷转移态对DTDCTB/C60电池激子分离过程起主导作用，从而促进超快产生自由电荷。（2）研究了给体聚集对DTDCTB/C60复合物激发态的离域性的影响，发现给/受体间电荷转移态的空穴总是局域在单个的DTDCTB分子上，因而难以通过空穴离域实现长程的电荷分离。（3）分子动力学模拟阐明不同DTDCTB表面对C60气相沉积生长及堆积结构的影响，发现实现C60有序堆积的条件非常苛刻，因而也难以通过电子离域促进电荷分离，同时揭示分子热振动带来的电荷转移电子耦合的改变十分重要，甚至比平均值大。（4）基于最大占据数-自洽场差方法和Boys透热化策略，提出计算激发态电荷转移电子耦合的准绝热态方法；发展了非平衡分子动力学方法，实现仿真模拟溶液加工成膜过程和分子堆积形貌，为研究有机光伏的分子堆积结构和电子过程提供了新的可靠的理论工具。