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。OSCS活性層材料分子的設計和活性層形貌的控制是實現高性能有機太陽能電池（OSC）的關鍵。然而傳統的表征方法難以在材料的分子水平和和電子結構等微觀尺度獲得材料的信息，這阻礙了有機光伏材料的篩選和對結構-性能關系的認知。理論模拟為揭示有機太陽能電池微觀結構與性能的關系提供了一個強有力的工具。
鄒應萍團隊首次合成了基于稠環苯并噻二唑核心單元的一系列高效有機太陽能非富勒受體，其中基于PM：Y6的太陽能電池轉換效率（PCE）首次突破了15%。目前基于Y6受體的太陽能薄膜電池最高效率已經突破了18%，因此對此類OSCs光伏轉換機理的研究有助于改進和設計高性能的光伏材料。
最近，劉萬強課題組與鄒應萍團隊合作，采用密度泛函理論（DFT）和含時密度泛函理論（TD-DFT），揭示了Y6、N3和N4等一系列受體與供體PM6組成的有機太陽能電池的電子激發和轉移機理。采用B3LYP、PBE0、HSE06、CAM-B3LYP和ωB97XD五個泛函準确地預測分子的紫外-可見吸收光譜（見圖1）。研究發現Y6及其衍生物電子躍遷主要來源于稠環主鍊上的π-π*電荷轉移激發和局域激發。供體PM6電子躍遷主要由共轭鍊上的π-π*激發貢獻。研究結果表明Y6和PM6分子在可見光範圍具有互補且較寬吸收光譜、受體和供體的HOMO和LUMO能級匹配是該類太陽能電池高轉換效率的關鍵因素。本研究為有機光伏材料的分子設計和光伏轉換效率的預測提供了理論依據。
圖1 5種不同理論方法計算的PM6-1（a）、PM6-2（b）和Y6（c）吸收光譜與實驗值的比較
圖2. 受體Y6分子的的HOMO和LUMO(綠色和藍色分别對應于電子和空穴的分布)
以上研究成果發表在最近出版的物理化學核心學術期刊《Surfaces and Interfaces》。文章第一作者為劉萬強副教授，2003网站太阳集团為第一署名單位，中南大學2003网站太阳集团為第二署名單位。該研究工作得到了國家自然科學基金(No. 21472040)、湖南省教育廳高校創新平台基金(No.19K031)的資助。
論文信息：Liu Wanqiang*, Qian Liu, Chongchen Xiang, Hu Zhou, Lihui Jiang, Yingping Zou*. Theoretical exploration of optoelectronic performance of PM6:Y6 series-based organic solar cells[J]. Surfaces and Interfaces . 2021, 26: 101385.
論文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468023021004624
