模拟有机太阳能电池材料的超快过程

在有机太阳能电池中，碳基聚合物将光转化为电荷，然后传递给受体。这种类型的材料具有巨大的潜力，但要释放这一点，需要更好地了解电荷沿着聚合物产生和运输的方式。

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这种情况是如何发生的，并为解释实验数据提供了理论见解。

研究结果发表在《物理化学杂志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，可能更容易制造。为了提高效率，了解电荷如何通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。“电荷沿着纠缠的聚合物链离域，并在低于100飞秒的时间尺度上从供体转移到受体。因此，我们需要理论研究和模拟来理解这一过程。

电荷转移

Palacino-González研究的系统由塑料半导体P3HT作为供体和PCBM(一种具有C60“巴基球”的聚合物)作为受体组成。

“我们想知道电荷是如何通过材料进行的，以了解这种材料如何捕获和传输能量。因为如果我们理解这一点，就有可能控制它。该材料的实验研究提供了一些信息，但仅限于散装过程。

“因此，我们将分子动力学模拟与量子化学计算相结合，以确定材料中分子的运动，使用时间依赖性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，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而在基态中的运动。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。“聚合物链中彼此相邻的两个单体将相互作用，它们彼此'交谈'。这导致二人组的能量水平分裂，“帕拉西诺-冈萨雷斯解释说。

她以哈密顿算符的形状创建了二聚体能量的“指纹”，这是一个包含有关分子系统的所有信息的矩阵。“当两个单体以平行方式排列时，两者耦合并相互通信。但是当它们呈90度角时，相互作用是最小的。

这样的角度在分子中形成扭结，阻碍沿聚合物链的能量转移。“对由845种聚合物组成的模拟材料的统计分析表明，其中大约一半是完全对齐的，而另一半大多有一个或两个扭结，”Palacino-González说。从二聚体中，她计算了12-mers(由6个二聚体组成)的哈密顿量。

她的计算包括12-mer供体聚合物中不同数量的扭结。“这些研究显示了沿聚合物的能量分布，并为我们提供了一个现实的模型，以表征材料产生的环境对受体聚合物共混物光谱信号的影响，这与目前对这些材料的实验直接可比。

现实描述

尽管该模型有限，但由于它只允许单体与其直接邻居相互作用，因此结果为实验结果提供了重要的见解。

“我们的计算来自第一原理，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。

“我们现在能够看到从供体到受体的超快速电荷转移过程。这将激发有机光伏的理论研究，并帮助实验学家理解他们的结果。

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