有機太陽能電池材料超快過程建模

在有機太陽能電池中，碳基聚合物將光轉化為電荷，然後傳遞給受體。 這種類型的材料具有巨大的潛力，但要釋放這一潛力，需要更好地了解電荷沿著聚合物產生和傳輸的方式。

格羅寧根大學的科學家現在透過將分子動力學模擬與量子計算相結合，計算出了這是如何發生的，並提供了理論見解來解釋。

結果發表在物理化學雜誌C。

有機太陽能電池比傳統的矽基電池更薄，而且很靈活，而且可能更容易製造。 為了提高效率，了解電荷如何通過電影。

「這些電影由荷蘭格羅寧根大學澤尼克先進材料研究所凝聚態物質理論小組的博士後研究員 Elisa Palacino-González 解釋說：「電荷沿著糾纏的聚合物鏈離域並轉移從供體到受體的時間尺度低於100飛秒。 因此，我們需要理論研究和模擬來理解這個過程。

電荷轉移

Palacino-González 研究的系統由作為供體的塑膠半導體 P3HT 和作為受體的 PCBM（一種帶有 C60「巴基球」的聚合物）組成。

“我們想知道電荷是如何通過材料傳導的，以了解這種材料如何捕獲和傳輸能量。因為如果我們了解這一點，就有可能控制它。” 該材料的實驗研究提供了一些信息，但僅限於批量過程。

“因此，我們將分子動力學模擬與量子化學計算相結合，以確定材料中分子的運動，從而使用時間相關的密度泛函理論對供體聚合物進行原子建模。”

這些理論研究是使用由十二種單體組成的供體聚合物進行的。 “我們主要關注供體，以研究材料中的激發是如何發生的。” 這顯示由於熱效應導致的基態運動。 Palacino-González 計算了 12.5 皮秒的時間，足以研究飛秒電荷轉移。

實驗

「下一步是將量子世界疊加到這些分子上，」帕拉西諾-岡薩雷斯繼續說道。 為此，她從二聚體開始。 「聚合物鏈中兩個相鄰的單體會相互作用，它們會互相『交談』。這會導致二重奏的能階分裂，」帕拉西諾-岡薩雷斯解釋道。

她以哈密頓量的形式創建了二聚體能量的“指紋”，這是一個包含分子系統所有資訊的矩陣。 “當兩個單體以平行方式排列時，兩者就會耦合併相互對話。但當它們呈 90 度角時，相互作用很小。”

這樣的角度會在分子中形成扭結，阻礙能量沿著聚合物鏈轉移。 Palacino-González 表示：“對由 845 種聚合物組成的模擬材料進行的統計分析表明，其中大約一半是完美排列的，而另一半則大多有一兩個扭結。” 她從二聚體計算出 12 聚體（由 6 個二聚體組成）的哈密頓量。

她的計算包括 12 聚體供體聚合物中不同數量的扭結。 「這些研究顯示了沿著聚合物的能量分佈，並為我們提供了一個真實的模型來表徵材料所產生的環境對受體聚合物共混物光譜訊號的影響，這可以與這些材料的當前實驗直接比較。

真實描述

儘管該模型有局限性，因為它只允許單體與其直接鄰居相互作用，但結果為實驗結果提供了重要的見解。

「我們的計算是基於第一原理，這是第一次針對這種材料進行此類分析，包括混合環境的真實描述。這意味著我們現在可以幫助解釋 P3HT 實驗研究產生的光譜例如，我們可以展示尺寸分佈如何改變雷射激發產生的光譜。

「我們現在能夠觀察從供體到受體的超快電荷轉移過程。這將激發人們的靈感有機光伏發電並幫助實驗者理解他們的結果。

更多資訊：Elisa Palacino-González 等人，模擬有機光伏混合物中聚 3-己基噻吩二維電子光譜中的無序效應：結合量子/經典方法，物理化學雜誌C（2023）。DOI：10.1021/acs.jpcc.3c01080