图片1。并五苯二聚体的单重态裂变过程:一个单体的初始单重态激子S1S0通过一个相关的三重态对1(TT)在两个相邻单体上等量分布，分裂成两个自由三重态激子T1-T1。单线态裂变实现了光子能量的下转换，成为现代光伏研究的热点之一。
由香港大学化学系杨军博士领导的量子化学研究小组，利用高水平的量子化学算法，开发了一种广泛应用的计算技术，以揭示光物理过程中复杂的电子和能量转移路径。该理论方法和计算结果已发表在旗舰期刊《英国皇家化学学会化学科学》上。港大研发的量子化学算法，标志着对新出现机制的理论和计算研究取得了突破，从高精度大规模量子模拟迈向下一代有机光功能材料。
背景
传统硅基单p-n结结构的太阳能电池效率本质上受到肖克利-奎瑟极限的限制，即，由于光谱损失，只有大约33%的总入射阳光可以被收获和转换。然而，这种效率限制可以通过合并电子-空穴对复制的新通道来消除。单线态裂变就是这样一种新兴机制，通过这种机制，在太阳能电池中，激子的产生以只消耗一个光子能量的代价来增加电流的两倍，这将极大地提高光电转换效率，并彻底改变基于第三代硅基太阳能设备生产可再生能源的竞赛。
自20世纪60年代单线态裂变研究引起人们的关注以来，从基础力学研究到材料设计和器件开发，该领域的研究一直处于爆炸性发展阶段。然而，激子复制机制及其动力学过程中无法解释的能量损失仍然是一个巨大的未知，这一直困扰着单重态裂变材料的发现和应用。虽然提出的机制断言和理论基础令人眼花缭乱，但含糊不清的地方仍然存在，由于强相关电子与其振动环境之间的各种量子相互作用具有非常复杂和协同的光物理性质，在如何定义基本激子态在推动裂变过程中的精确作用和行为方面存在着长期的争论和巨大的争议。
方法和成就
在这项研究中，香港大学量子化学研究小组提出并进一步证实，要想正确描述单线态裂变的细节，必须要有更多的相关电子，更低的激子状态和包含更强的耦合不同激子之间的某些分子振动，比在所有以前的研究文献中预期的。所有这些量子态和量子相互作用的精确计算，以前对传统的量子化学算法是一个巨大的挑战，现在通过杨博士和同事改进的ab-initio密度矩阵重正化组方法(DMRG-SCF)的自洽网安传奇外挂场算法是可行的。该研究团队进一步提出了“双粒子形式论”，以评估DMRG-SCF波函数的电荷传输和1(TT)对产生特性。
主要研究成果包括:
1. 该研究团队开发了一种新的算法，通过从大规模初始化DMRG-SCF模拟中关联空前大量的价电子π-电子，来精确捕捉多体量子态和相互作用。这些相互作用要么被排除，要么被认为不重要，基于粗略的模型近似在大多数以前的文献报告。在此，香港大学的量子化学研究得出结论，恢复的相互作用是决定和平衡单线态裂变的光物理微妙性的关键。
2. 研究人员指出，源自电荷转移态的静电库仑相互作用不足以驱动并五苯二聚体的单重态裂变过程，而在文献报道中，电荷转移态被认为是介导三重态和三重态的重要因素。高精度计算研究清楚地揭示了电荷转移状态的双重作用性质:正是1(TT)态与弱和强电荷转移激子态的强耦合加上分子振动，控制了并五苯二聚体不同振动区域内与1(TT)对态相关的居群生成、转移和离域动力学。
“这澄清工作,第一次,这是强大的电子电子之间的相关性和electron-vibration共存的耦合,产生一个高效的单线态并五苯裂变过程,这是非常复杂的,事实上,这一发现可能只有数值准确的多体的量子化学算法,与这一领域中盛行的其他低水平方法相反。港大的研究令人鼓舞，并指出了新材料的设计策略，可通过相应的化学成分和基础设施来加以利用。”
第一作者(Rajat先生生活的补充道:“我们将使用这个计算方案进一步发展几个掺杂,通过添加适当的电荷分离和分子内单线态裂变候选人在父acenes和polyacenes各种取代基,和寻找最佳的包装和方向,以达到增强单线态裂变率。”
lv女该期刊论文可从这里访问:https://doi.org/10.1039/D1SC01703A
关于杨军博士