有机太阳能电池中的电子迁移和激子扩散的理论模拟研究

Photovoltaic technology is being increasingly recognized as part of the solution to the growing energy challenge. Organic solar cells are excellent candidates for photovoltaics due to their low cost and easy fabrication. It is essential to understand the electron processes and the corresponding mechanisms for improving the energy conversion efficiency of organic solar cells. In this project, we use and further develop a first-principles based method, which was proposed by ourselves, to study the transport properties, including carrier mobility and exciton diffusion, in organic solar cells. Specifically, we study the structural effects, such as molecular structure and material density, on the transport processes in organic conjugated polymers and organic conjugated small molecules. In addition, we develop our method to simulate the macroscopic configurations of bulk heterojunction, and study its effect on the transport properties. From this project, we hope to understand the mechanisms of carrier and exciton transport in organic solar cells from atomic and electronic points of view, and to design or screen possible organic materials and macroscopic configurations.

光伏技术被认为是解决未来能源问题的一种可行方案。有机太阳能电池由于价格便宜、易于制备，是一个很好的光伏器件的选择。理解有机太阳能电池中的电子过程及其物理机制，对于提高其能量转换效率有着重要的意义。本项目拟使用并发展我们自己的一套基于第一性原理计算的模拟方法，来研究有机太阳能电池的输运性质，包括载流子的迁移和激子的扩散。具体地，我们将考虑一系列的结构因素，例如分子结构和材料密度等，对有机共轭聚合物材料和有机共轭小分子材料输运过程的影响。此外，我们将发展我们的模拟方法，使其可以模拟体异质结的宏观构型，并考虑不同的体异质结构型对输运性质的影响及调制作用。通过本项目的研究，我们希望可以从微观的原子和电子角度理解和阐明有机太阳能电池中载流子和激子的输运机制，并且以此为依据为实验设计和筛选可能的有机材料及宏观构型。

有机太阳能电池中的电子过程及其物理机制的研究，对于提高电池的能量转换效率有着重要的意义。本项目使用基于第一性原理的模拟方法，研究了多种有机材料的输运特性。通过对一系列共轭有机分子输运特性的模拟研究，我们发现，材料的晶体结构、密度以及共轭电解质聚合物中的离子运动，都对材料的输运特性有显著影响；在施主/受主界面附近，由于激子结合能在界面和体材料中的差别，以及静电势在界面附近的变化，可以产生激子分离的驱动力。基于我们发展的电子非绝热演化模拟方法，我们还对金团簇的量子阱态寿命进行了估计，指出了量子阱态催化水分解的可能性。通过本项目的研究，我们从微观角度理解了影响有机材料输运特性的各种因素，为今后的实验设计和材料筛选提供了依据。