有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）是未來(lái)商業(yè)化最有希望的候選者。為了快速實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)新材料并預(yù)測(cè)其性能來(lái)加速這一過(guò)程，而無(wú)需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以減少潛在目標(biāo)的數(shù)量。

在此，北京理工大學(xué)王金亮教授等人引入了多維設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)管道，以系統(tǒng)化材料發(fā)現(xiàn)并減少對(duì)偶然方法的依賴。具體而言，作者根據(jù)從文獻(xiàn)中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型以預(yù)測(cè)各種特性，例如能級(jí)（HOMO和LUMO）、UV/可見(jiàn)光吸收最大值（在溶液和薄膜中）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

根據(jù)預(yù)測(cè)的特性，作者設(shè)計(jì)和篩選了大約5000個(gè)新的小分子受體（SMA），其中1700個(gè)與PBT7-Th 能級(jí)不匹配的SMA被過(guò)濾掉。此外，沒(méi)有進(jìn)一步考慮藍(lán)移吸收最大值，而是根據(jù)預(yù)測(cè)的UV/可見(jiàn)吸收最大值將篩選的SMA數(shù)量減少到2350個(gè)。然后根據(jù)預(yù)測(cè)的PCE 進(jìn)一步篩選，最終選擇了100多個(gè)PCE高于13%的 SMA。

圖1. 篩選基于PBT7-Th:SMA的OSC設(shè)計(jì)SMA的管道

此外，作者使用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究PBT7-Th和SMA的混合?；贔lory-Huggins參數(shù)研究PBT7-Th:SMAs共混物的混合行為，多步篩選將增加獲得有效候選者的機(jī)會(huì)，最終選擇了15個(gè)與PBT7-Th平衡混合的SMA。最后，使用普通IDTT內(nèi)核的最佳預(yù)測(cè) PCE 超過(guò)15%，該數(shù)值遠(yuǎn)好于報(bào)道的結(jié)果。

作者相信，該研究開(kāi)發(fā)的具有亞秒計(jì)算成本的篩選流程將幫助實(shí)驗(yàn)人員為基于PBT7-Th的OSC合成高效的SMA。這種方法可用于測(cè)試假設(shè)分子的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，并稍作修改后還可以為其他供體選擇有希望的受體材料。

圖2. 最終確定的15個(gè)與PBT7-Th平衡混合的SMA

Machine learning and molecular dynamics simulations assisted evolutionary design and discovery pipeline to screen the efficient small molecule acceptors for PTB7-Th based organic solar cells with over 15% efficiency, Journal of Materials Chemistry A 2022. DOI: 10.1039/D1TA09762H