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南開陳永勝ACS：二面角約束分子動力學(xué)使OSCs模擬與實驗結(jié)晶度相吻合

發(fā)表時間：2025-08-07 11:05

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主要內(nèi)容

有機太陽能電池（OSCs）作為可再生能源領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星，以其高效、低成本的顯著優(yōu)勢，為解決全球能源危機提供了全新的思路和方向。在傳統(tǒng)化石能源日益枯竭、環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻的當(dāng)下，開發(fā)清潔、可持續(xù)的新能源已成為全球共識。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的硅基太陽能電池存在成本高、制備工藝復(fù)雜等問題，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。而有機太陽能電池憑借其材料來源廣泛、可柔性制備、制備過程簡單等優(yōu)點，成為太陽能電池領(lǐng)域的研究熱點。

非富勒烯受體：有機太陽能電池的破局關(guān)鍵

近年來，隨著非富勒烯受體（NFAs）這一關(guān)鍵材料的橫空出世，有機太陽能電池迎來了重大突破。非富勒烯受體打破了傳統(tǒng)富勒烯受體在吸收光譜、能級調(diào)節(jié)等方面的局限，為有機太陽能電池性能的提升開辟了新途徑。

以往，有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE，即電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的能力百分比）相對較低，早期不足10%，這嚴(yán)重制約了其商業(yè)化應(yīng)用進程。而如今，得益于NFAs的應(yīng)用，其PCE大幅提升至20%以上，相較于早期有了質(zhì)的飛躍，顯著縮小了與硅基等傳統(tǒng)類型太陽能電池的性能差距，讓有機太陽能電池看到了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的曙光。

活性層奧秘與分子模擬挑戰(zhàn)及突破

在有機太陽能電池的工作機制中，活性層猶如電池的“心臟”，其分子堆疊情況對實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換起著決定性作用?；钚詫邮怯山o體材料和受體材料混合而成的復(fù)雜體系，分子在其中的堆疊方式直接影響著電荷的分離和傳輸效率。當(dāng)光照射到有機太陽能電池上時，活性層中的分子吸收光子后產(chǎn)生激子（即束縛的電子 - 空穴對）。激子需要擴散到給體 - 受體界面并分離成自由電荷，然后這些自由電荷才能在電池中傳輸并被電極收集，從而產(chǎn)生電流。而分子的堆疊方式?jīng)Q定了激子的擴散路徑、電荷的分離效率以及傳輸通道的暢通程度。

然而，目前實驗技術(shù)在捕捉分子層面的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息方面仍存在一定局限性。例如，傳統(tǒng)的X射線衍射等技術(shù)雖然能夠提供一定的晶體結(jié)構(gòu)信息，但對于分子在動態(tài)過程中的堆疊變化以及局部結(jié)構(gòu)的精細(xì)特征難以全面、精準(zhǔn)地揭示。這就好比我們只能看到一幅模糊的畫卷，而無法看清其中的每一處細(xì)節(jié)。

為突破這一瓶頸，分子動力學(xué)（MD）模擬憑借其獨特的優(yōu)勢脫穎而出。MD模擬基于牛頓力學(xué)原理，通過計算機對分子體系的運動進行數(shù)值模擬，能夠從原子層面深入揭示分子構(gòu)型隨時間的變化情況，就像給分子拍攝了一部“動態(tài)電影”，為優(yōu)化活性層形貌提供了新的思路和機遇。不過，在合理的計算時間內(nèi)獲得與實驗結(jié)果高度吻合的晶體排列和晶域結(jié)構(gòu)，仍是分子動力學(xué)模擬面臨的一大挑戰(zhàn)。因為實際的分子體系極其復(fù)雜，涉及到大量的原子和分子間相互作用，要準(zhǔn)確模擬其動態(tài)行為需要耗費巨大的計算資源，這就如同要在浩瀚的宇宙中精準(zhǔn)定位一顆微小的星球一樣困難。

二面角約束研究：成果、意義與啟示

在此背景下，南開大學(xué)龍官奎研究員和陳永勝教授與中山大學(xué)周業(yè)成教授強強聯(lián)合，帶領(lǐng)其科研團隊開展了具有開創(chuàng)性的深入研究。該團隊聚焦于具有代表性的非富勒烯受體CH17和Y6，系統(tǒng)探究了二面角約束對分子動力學(xué)模擬的影響。二面角是描述分子中四個連續(xù)原子所構(gòu)成的空間角度，它就像分子構(gòu)象的“調(diào)節(jié)器”，對分子的形狀和堆疊方式有著重要影響。通過在分子動力學(xué)模擬中施加二面角約束，研究團隊能夠控制分子的旋轉(zhuǎn)自由度，從而引導(dǎo)分子形成更有序的堆疊結(jié)構(gòu)。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，引入二面角約束后，分子堆疊的有序性顯著提高，單體、二聚體及長程結(jié)構(gòu)與晶體排列高度相似，仿佛分子在約束的作用下“自覺”地排列成了最理想的結(jié)構(gòu)。進一步的研究結(jié)果表明，受約束的二面角能夠顯著提升分子平面性，使分子更加平整地排列，就像將一張皺巴巴的紙撫平一樣。這降低了構(gòu)象柔韌性，減少了分子因無規(guī)則運動而產(chǎn)生的扭曲和變形，從而促進了分子之間有序的π - π堆疊。π - π堆疊是有機分子中一種重要的相互作用方式，它能夠增強分子間的電子云重疊，為電荷的傳輸搭建起一條“高速公路”，有利于電荷的高效傳輸。最終，分子形成了與晶體排列極為接近的堆積結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為電荷的高效傳輸提供了良好的通道，就像為城市的交通規(guī)劃了暢通無阻的道路網(wǎng)絡(luò)。

此外，團隊還對比了CH17和Y6的分子特性，發(fā)現(xiàn)與Y6相比，CH17在中心核和末端單元均表現(xiàn)出擴展的共軛結(jié)構(gòu)。共軛結(jié)構(gòu)是指分子中原子之間通過交替的單鍵和雙鍵相連形成的結(jié)構(gòu)，它能夠使電子在分子內(nèi)更加自由地離域，增強分子的導(dǎo)電性，就像為電子在分子內(nèi)的運動提供了更廣闊的“舞臺”。CH17擴展的共軛結(jié)構(gòu)使得它具有更大的堆疊數(shù)，即單位體積內(nèi)能夠形成更多有序堆疊的分子對，展現(xiàn)出更優(yōu)的堆疊行為。這一特性也與其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）相一致，實驗數(shù)據(jù)顯示，基于CH17的有機太陽能電池PCE可達(dá)[X]%，高于基于Y6的電池[X]個百分點，這充分證明了CH17在有機太陽能電池領(lǐng)域的巨大潛力。

值得注意的是，盡管二面角約束能使模擬結(jié)果更加貼近實際，但無二面角約束的模擬仍能捕捉到正確的總體趨勢，這表明二面角約束是在現(xiàn)有模擬基礎(chǔ)上進一步提升準(zhǔn)確性的有效手段，而非完全否定無約束模擬的價值，就像在已有的地圖上進行更**的標(biāo)注，而不是重新繪制一張地圖。

該聯(lián)合團隊的研究具有重大的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)層面來看，它揭示了二面角約束對分子堆疊行為的深刻影響，為深入理解有機太陽能電池活性層的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系提供了重要依據(jù)，豐富了有機太陽能電池領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。從應(yīng)用層面來看，該方法為模擬有機太陽能電池中真實的分子堆積結(jié)構(gòu)提供了一種簡便有效的策略，能夠指導(dǎo)科研人員設(shè)計出更具性能優(yōu)勢的有機太陽能電池分子材料，加速有機太陽能電池的商業(yè)化進程，推動可再生能源的發(fā)展。隨著研究的不斷深入，相信有機太陽能電池將在可再生能源領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為人類創(chuàng)造一個更加清潔、綠色的未來。