有机太阳能电池（OSCs）具有成本低、重量轻、柔韧性、半透明、易于大面积制造等优点，现成为新能源领域的研究热点。OSCS活性层材料分子的设计和活性层形貌的控制是实现高性能有机太阳能电池（OSC）的关键。然而传统的表征方法难以在材料的分子水平和和电子结构等微观尺度获得材料的信息，这阻碍了有机光伏材料的筛选和对结构-性能关系的认知。理论模拟为揭示有机太阳能电池微观结构与性能的关系提供了一个强有力的工具。
邹应萍团队首次合成了基于稠环苯并噻二唑核心单元的一系列高效有机太阳能非富勒受体，其中基于PM：Y6的太阳能电池转换效率（PCE）首次突破了15%。目前基于Y6受体的太阳能薄膜电池最高效率已经突破了18%，因此对此类OSCs光伏转换机理的研究有助于改进和设计高性能的光伏材料。
最近，刘万强课题组与邹应萍团队合作，采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT），揭示了Y6、N3和N4等一系列受体与供体PM6组成的有机太阳能电池的电子激发和转移机理。采用B3LYP、PBE0、HSE06、CAM-B3LYP和ωB97XD五个泛函准确地预测分子的紫外-可见吸收光谱（见图1）。研究发现Y6及其衍生物电子跃迁主要来源于稠环主链上的π-π*电荷转移激发和局域激发。供体PM6电子跃迁主要由共轭链上的π-π*激发贡献。研究结果表明Y6和PM6分子在可见光范围具有互补且较宽吸收光谱、受体和供体的HOMO和LUMO能级匹配是该类太阳能电池高转换效率的关键因素。本研究为有机光伏材料的分子设计和光伏转换效率的预测提供了理论依据。
图1 5种不同理论方法计算的PM6-1（a）、PM6-2（b）和Y6（c）吸收光谱与实验值的比较
图2. 受体Y6分子的的HOMO和LUMO(绿色和蓝色分别对应于电子和空穴的分布)
以上研究成果发表在最近出版的物理化学核心学术期刊《Surfaces and Interfaces》。文章第一作者为刘万强副教授，湖南科技大学化学化工学院为第一署名单位，中南大学化学化工学院为第二署名单位。该研究工作得到了国家自然科学基金(No. 21472040)、湖南省教育厅高校创新平台基金(No.19K031)的资助。
论文信息：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.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468023021004624
