有機太陽能電池（OSCs）具有成本低、重量輕、柔韌性、半透明、易于大面積制造等優點，現成為新能源領域的研究熱點。實驗表明，活性層分子堆積形貌和電子轉移速率是影響能量轉化效率（PCE）的關鍵因素之一。然而，現有實驗技術難于從原子和電子水平觀察活性層分子形貌的動态演變過程和電子轉移機理。這制約了對OSCs光電轉化機理的理解和薄膜的可控制備，也限制了更高性能的光伏材料的設計。
最近，劉萬強教授團隊采用從頭算分子動力學（AIMD）和量子化學方法，對PM6:Y6薄膜的動态成型過程和電子轉移機理進行了探索。研究成果發表在最近出版的材料科學TOP期刊《Journal of Materials Chemistry A》（影響因子：14.51，英國皇家化學會出版）。論文第一作者分别為我院研究生項崇陳、趙啟明同學，第一通訊作者為劉萬強教授。
課題組首先通過密度泛函理論（DFT）對PM6和Y6進行結構優化，以此構建基于PM6:Y6活性層的有機太陽能（OSCs）體系，然後采用AIMD對PM6:Y6體系的分子堆積過程進行了動态模拟（圖1）。結果發現活性層中PM6和Y6分子間存在着明顯的π-π堆積，局部Y6分子排列有序，Y6分子的支鍊可以有效地調節分子間距，使PM6和Y6分子間距保持在3.5 ~ 3.8 Å。進一步的激發态電子結構計算和Marcus理論計算表明，π-π堆積、低能量偏移ΔES1–CT、低激子結合能Eb和高電荷轉移率kdissociation是PM6:Y6具有高PCE的關鍵因素。
該研究闡明了PM6:Y6系統的高PCE機理，為計算和設計高性能OSCs活性層分子提供了參考。該工作得到了國家自然科學基金(No. 21472040)、湖南省自然科學基金(No.2022JJ30239)的資助。
圖1AIMD模拟PM6:Y6二聚體分子堆積形貌
圖2(a)(b)二聚體S1态、CTX态和CT1态的空穴-電子（藍-橙）密度分布(c)PM6:Y6二聚體的電荷轉移過程(d)PM6:Y6薄膜和二聚體的紫外-可見光譜。
論文鍊接：Theoretical exploration of molecular packing and the charge transfer mechanism of organic solar cells based on PM6:Y6 - Journal of Materials Chemistry A (RSC Publishing)
