南开陈永胜：二面角约束分子动力学使OSCs模拟与实验结晶度相吻合

主要内容

有机太阳能电池（OSCs）作为可再生能源领域一颗冉冉升起的新星，以其高效、低成本的显著优势，为解决全球能源危机提供了全新的思路和方向。在传统化石能源日益枯竭、环境问题愈发严峻的当下，开发清洁、可持续的新能源已成为全球共识。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，备受关注。然而，传统的硅基太阳能电池存在成本高、制备工艺复杂等问题，限制了其大规模推广应用。而有机太阳能电池凭借其材料来源广泛、可柔性制备、制备过程简单等优点，成为太阳能电池领域的研究热点。

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非富勒烯受体：有机太阳能电池的破局关键

近年来，随着非富勒烯受体（NFAs）这一关键材料的横空出世，有机太阳能电池迎来了重大突破。非富勒烯受体打破了传统富勒烯受体在吸收光谱、能级调节等方面的局限，为有机太阳能电池性能的提升开辟了新途径。

以往，有机太阳能电池的光电转换效率（PCE，即电池将光能转换为电能的能力百分比）相对较低，早期不足10%，这严重制约了其商业化应用进程。而如今，得益于NFAs的应用，其PCE大幅提升至20%以上，相较于早期有了质的飞跃，显著缩小了与硅基等传统类型太阳能电池的性能差距，让有机太阳能电池看到了大规模商业化应用的曙光。

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活性层奥秘与分子模拟挑战及突破

在有机太阳能电池的工作机制中，活性层犹如电池的“心脏”，其分子堆叠情况对实现高效能量转换起着决定性作用。活性层是由给体材料和受体材料混合而成的复杂体系，分子在其中的堆叠方式直接影响着电荷的分离和传输效率。当光照射到有机太阳能电池上时，活性层中的分子吸收光子后产生激子（即束缚的电子 - 空穴对）。激子需要扩散到给体 - 受体界面并分离成自由电荷，然后这些自由电荷才能在电池中传输并被电极收集，从而产生电流。而分子的堆叠方式决定了激子的扩散路径、电荷的分离效率以及传输通道的畅通程度。

然而，目前实验技术在捕捉分子层面的详细结构信息方面仍存在一定局限性。例如，传统的X射线衍射等技术虽然能够提供一定的晶体结构信息，但对于分子在动态过程中的堆叠变化以及局部结构的精细特征难以全面、精准地揭示。这就好比我们只能看到一幅模糊的画卷，而无法看清其中的每一处细节。

为突破这一瓶颈，分子动力学（MD）模拟凭借其独特的优势脱颖而出。MD模拟基于牛顿力学原理，通过计算机对分子体系的运动进行数值模拟，能够从原子层面深入揭示分子构型随时间的变化情况，就像给分子拍摄了一部“动态电影”，为优化活性层形貌提供了新的思路和机遇。不过，在合理的计算时间内获得与实验结果高度吻合的晶体排列和晶域结构，仍是分子动力学模拟面临的一大挑战。因为实际的分子体系极其复杂，涉及到大量的原子和分子间相互作用，要准确模拟其动态行为需要耗费巨大的计算资源，这就如同要在浩瀚的宇宙中精准定位一颗微小的星球一样困难。

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二面角约束研究：成果、意义与启示

在此背景下，南开大学龙官奎研究员和陈永胜教授与中山大学周业成教授强强联合，带领其科研团队开展了具有开创性的深入研究。该团队聚焦于具有代表性的非富勒烯受体CH17和Y6，系统探究了二面角约束对分子动力学模拟的影响。二面角是描述分子中四个连续原子所构成的空间角度，它就像分子构象的“调节器”，对分子的形状和堆叠方式有着重要影响。通过在分子动力学模拟中施加二面角约束，研究团队能够控制分子的旋转自由度，从而引导分子形成更有序的堆叠结构。

研究团队发现，引入二面角约束后，分子堆叠的有序性显著提高，单体、二聚体及长程结构与晶体排列高度相似，仿佛分子在约束的作用下“自觉”地排列成了最理想的结构。进一步的研究结果表明，受约束的二面角能够显著提升分子平面性，使分子更加平整地排列，就像将一张皱巴巴的纸抚平一样。这降低了构象柔韧性，减少了分子因无规则运动而产生的扭曲和变形，从而促进了分子之间有序的π - π堆叠。π - π堆叠是有机分子中一种重要的相互作用方式，它能够增强分子间的电子云重叠，为电荷的传输搭建起一条“高速公路”，有利于电荷的高效传输。最终，分子形成了与晶体排列极为接近的堆积结构，这种结构为电荷的高效传输提供了良好的通道，就像为城市的交通规划了畅通无阻的道路网络。

此外，团队还对比了CH17和Y6的分子特性，发现与Y6相比，CH17在中心核和末端单元均表现出扩展的共轭结构。共轭结构是指分子中原子之间通过交替的单键和双键相连形成的结构，它能够使电子在分子内更加自由地离域，增强分子的导电性，就像为电子在分子内的运动提供了更广阔的“舞台”。CH17扩展的共轭结构使得它具有更大的堆叠数，即单位体积内能够形成更多有序堆叠的分子对，展现出更优的堆叠行为。这一特性也与其优异的光电转换效率（PCE）相一致，实验数据显示，基于CH17的有机太阳能电池PCE可达[X]%，高于基于Y6的电池[X]个百分点，这充分证明了CH17在有机太阳能电池领域的巨大潜力。

值得注意的是，尽管二面角约束能使模拟结果更加贴近实际，但无二面角约束的模拟仍能捕捉到正确的总体趋势，这表明二面角约束是在现有模拟基础上进一步提升准确性的有效手段，而非完全否定无约束模拟的价值，就像在已有的地图上进行更精确的标注，而不是重新绘制一张地图。

该联合团队的研究具有重大的科学意义和实际应用价值。从科学层面来看，它揭示了二面角约束对分子堆叠行为的深刻影响，为深入理解有机太阳能电池活性层的微观结构与性能之间的关系提供了重要依据，丰富了有机太阳能电池领域的理论基础。从应用层面来看，该方法为模拟有机太阳能电池中真实的分子堆积结构提供了一种简便有效的策略，能够指导科研人员设计出更具性能优势的有机太阳能电池分子材料，加速有机太阳能电池的商业化进程，推动可再生能源的发展。随着研究的不断深入，相信有机太阳能电池将在可再生能源领域发挥越来越重要的作用，为人类创造一个更加清洁、绿色的未来。

文献信息

Dihedral Restrained Molecular Dynamics Aligns Simulated and Experimental Crystallinity in Organic Solar Cells

Wenkai Zhao、Ailin Li、Yecheng Zhou、Zechen Hao、Jinhan Yang、Tianying Yan、Xiangjian Wan、Xiankai Chen、Yongsheng Chen、Guankui Long

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c08785