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。实验表明，活性层分子堆积形貌和电子转移速率是影响能量转化效率（PCE）的关键因素之一。然而，现有实验技术难于从原子和电子水平观察活性层分子形貌的动态演变过程和电子转移机理。这制约了对OSCs光电转化机理的理解和薄膜的可控制备，也限制了更高性能的光伏材料的设计。
最近，刘万强教授团队采用从头算分子动力学（AIMD）和量子化学方法，对PM6:Y6薄膜的动态成型过程和电子转移机理进行了探索。研究成果发表在最近出版的材料科学TOP期刊《Journal of Materials Chemistry A》（影响因子：14.51，英国皇家化学会出版）。论文第一作者分别为我院研究生项崇陈、赵启明同学，第一通讯作者为刘万强教授。
课题组首先通过密度泛函理论（DFT）对PM6和Y6进行结构优化，以此构建基于PM6:Y6活性层的有机太阳能（OSCs）体系，然后采用AIMD对PM6:Y6体系的分子堆积过程进行了动态模拟（图1）。结果发现活性层中PM6和Y6分子间存在着明显的π-π堆积，局部Y6分子排列有序，Y6分子的支链可以有效地调节分子间距，使PM6和Y6分子间距保持在3.5 ~ 3.8 Å。进一步的激发态电子结构计算和Marcus理论计算表明，π-π堆积、低能量偏移ΔES1–CT、低激子结合能Eb和高电荷转移率kdissociation是PM6:Y6具有高PCE的关键因素。
该研究阐明了PM6:Y6系统的高PCE机理，为计算和设计高性能OSCs活性层分子提供了参考。该工作得到了国家自然科学基金(No. 21472040)、湖南省自然科学基金(No.2022JJ30239)的资助。
图1AIMD模拟PM6:Y6二聚体分子堆积形貌
图2(a)(b)二聚体S1态、CTX态和CT1态的空穴-电子（蓝-橙）密度分布(c)PM6:Y6二聚体的电荷转移过程(d)PM6:Y6薄膜和二聚体的紫外-可见光谱。
论文链接：Theoretical exploration of molecular packing and the charge transfer mechanism of organic solar cells based on PM6:Y6 - Journal of Materials Chemistry A (RSC Publishing)
