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由香港大學（HKU）化學系楊俊博士領導的量子化學研究團隊開發了一種廣泛適用的計算技術，使用高級量子化學算法來揭示復雜的電子和能量轉移途徑光物理過程。理論方法和計算結果已發表在旗艦期刊化學科學上 英國皇家化學學會 港大開發的量子化學算法標志著新機制的理論和計算研究的突破，通過高精度大規模量子模擬導致下一代有機光功能材料。
傳統的基于硅的單 pn 結架構的太陽能電池效率本質上受到肖克利-奎瑟 (Shockley-Queisser) 限制的限制，即由于光譜損失，只能收集和轉換總入射陽光的 33%。然而，這種效率限制可以通過結合新的電子-空穴對復制通道來消除。單線態裂變是這樣一種新興機制，通過僅以一個光子能量為代價使太陽能電池中的電流增加一倍就可以促進激子的產生，并且在大幅提高光電轉換效率和徹底改變生產競賽方面具有巨大潛力。基于第三代硅基太陽能設備的可再生能源。
自 1960 年代單線態裂變研究引起關注以來，該領域出現了許多研究，從基礎力學研究到材料設計和器件開發。然而，激子復制機制及其動力學過程中無法解釋的能量損失仍然是一個很大的未知數。這一直困擾著單線態裂變材料的發現和應用。雖然有許多提出的機械論斷言和基本原理，但由于采用量子相互作用的非常復雜和協作的光物理性質，在定義基本激子態在推動裂變過程中的確切作用和行為方面存在持續的歧義、長期存在的爭論和巨大爭議強相關電子與其振動環境之間的關系。
方法論和成就
在這項研究中，香港大學量子化學研究團隊提出并進一步證實，正確描述單線態裂變細節必須考慮更多相關電子、更多低位激子態以及不同激子之間更強的耦合具有某些分子振動，而不是以前所有文獻研究中的預期。所有這些量子態和量子相互作用的準確計算，以前對傳統的量子化學算法來說是一個巨大的挑戰，現在通過采用從頭算密度矩陣重整化群方法（DMRG-SCF）的自洽場算法是可行的，由楊博士和同事改進。研究小組進一步提出納入“雙粒子形式主義”。
主要研究成果包括：
1、該研究團隊開發了一種新算法，通過關聯大規模 ab-initio DMRG-SCF 模擬中前所未有的大量價 π 電子來精確捕獲多體量子態和相互作用。根據大多數以前的文獻報告中的粗略模型近似值，這些相互作用要么被排除在外，要么被認為不重要。在這里，香港大學量子化學研究得出的結論是，恢復的相互作用對于確定和平衡單線態裂變的光物理微妙性至關重要。
2、研究人員指出，源自電荷轉移狀態的靜電庫侖相互作用，在文獻報道中被認為對介導三重-三重對狀態很重要，但不足以驅動并五苯二聚體的單線裂變過程。高精度計算研究清楚地揭示了電荷轉移態的雙重作用性質：它是 1(TT) 態與弱和強電荷轉移激子態的強耦合，以及控制種群生成的分子振動，與并五苯二聚體中不同振動區域內的 1(TT) 對狀態相關的轉移和離域動力學。
這項工作首次闡明，正是強電子-電子相關性和電子-振動耦合的共存，在并五苯中產生了有效的單線態裂變過程，這非常復雜，事實上，這一發現只有在“如果使用數值精確的多體量子化學算法，與該領域流行的其他低級方法相反。香港大學的研究令人鼓舞，并指出了可以通過相應地修改化學成分和基礎設施來開發的新材料設計策略，項目負責人楊博士說。
第一作者 Rajat Walia 先生補充說，我們將使用這種計算方案，通過在母體并苯和具有各種取代基的多并苯中添加適當的電荷分離，進一步開發幾種摻雜的分子間和分子內單線態裂變候選物，并尋找最佳堆積和取向以實現更高的單線態裂變率。
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來源：賢集網
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