港大研究团队突破现有量子化学计算方法的局限为有机光活性材料的设计和优化提供新可能性
由香港大学（港大）化学系杨军博士所率领的量子化学研究团队，最近在英国皇家化学学会的旗舰学术期刊《化学科学》（Chemical Science） 中，发表了一套适用于处理光物理过程的高精度量子化学算法。此方案具广泛应用性，适用于研究许多光活性材料的电子及能量转移通道，对认识材料激发态过程的基础研究具有重要意义，也对以高精度和大规模量子数值模拟为基础的有机光活性材料的设计和优化，提供了新的可能性。
背景介绍
传统硅基单结太阳能电池的能量转换效率受到Shockley-Queisser极限的限制（即电池效率受物理性质约束，在正常的阳光条件下，其转换效率最高为33%)，然而在第三代太阳能电池中，可以通过设计新型光伏机制来突破某些传统光物理过程的限制，进而减少能量损失及提升光电转换效率。譬如单线态裂分（The singlet fission process，即有机半导体材料受激发产生单线态激子后，通过一个自旋允许的裂分过程，形成两个三线态激子的多激子产生现象)，能将材料吸收的一份光子能量裂分为两份电子空穴对，理论上光子 – 激子转换效率会翻倍。通过激子复制实现器件内电流倍增，突破Shockley-Queisser效率上限，从而提高光电转换效率。
自60年代提出这机制以来，学术界进行了大量的实验及理论研究，涵盖基础理论、材料设计和器件发展。然而由于单线态裂分涉及复杂的光物理过程，一直以来科学家对激子复制和能量损耗通路本性的认识仍存有不少争议、分歧及概念上的混乱。研究团队认为，这可归咎于常规计算方法的理论局限，尚未能准确揭示单线态裂分过程中产生的电子 – 振动态量子多体协同相互作用，因而影响人们对单线态裂分的化学 – 物理关系的理解，限制了裂分材料的设计和开发应用。
由港大开发的复杂量子化学算法，清晰地揭示了并五苯二聚体（Pentacene dimer）单线态的裂分过程，阐明了弱电荷分离态、强电荷分离态、强电子相关三线态对，以及振动量子态等多体相互作用的协同和转化机制。
研究方法及成就
港大团队提出，单线态裂分过程的精准计算，必须考虑不同性质的分子量子态的多体相互作用，这些量子态可以通过非常精准的数值演算方法“从头算密度矩阵重整化群自洽场（Ab-initio density matrix renormalisation group self-consistent field method）”算法来获取。团队通过对并五苯二聚体的反复计算和数值分析发现，大量的π介层电子、全部低能单线态以及全部分子振动频谱的电子-振动耦合作用，对单线态裂分过程至关重要。同时，通过计算和分析量子波函数，可以获取各激子能态在指定化学结构单元上的局域电子自旋分布，以及电子自旋态随二聚体分子振动的演化。这是在单线态裂分领域里首次发展基于高精度激发态波函数的电子-振动分析，也对构建功能发光材料的化学组分、结构同激发态量子自由度的关联，提供了新的计算工具。
研究取得的主要成就包括：
- 发展出一套适用于处理包括单线态裂分在内的光物理过程复杂电子 – 振动耦合量子态的量子化学算法，准确描述量子多体相互作用。
- 文献关于并五苯的电线态裂分过程主流结论认为，由电荷分离态的强静电相互作用来诱导。港大以高精度计算清晰揭示了电荷分离态的本质作用，通过双重电荷分离态增强电子-分子振动耦合，从而诱导三线态对的活性和去局域化。
杨博士表示：“这项工说明，要产生高效的单线态裂分，过程是非常复杂的，涉及多个量子态，传统的计算方法挂一漏万，难以窥其全貌。而港大此次的工作对研究这一类复杂光物理过程发展了系统性的计算工具，令人鼓舞，同时给光电材料提供了新的设计思路，比如可以通过相应地修改化学成分和结构来利用这些电子转移的路径。”
本文第一作者、博士生Rajat Walia补充说：“我们正在利用这一算法和研究成果，通过研究含参杂的分子间及分子内单线态裂分机制、增加电荷分离通道以及优化分子间排列等各种方式，以筛选裂分速率较高的材料。”获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com
