光伏材料

光伏材料是能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料,只有半导体材料具有这种功能。

有机太阳能电池是20世纪90年代发展起来的新型太阳能电池,它是以有机半导体作为实现光电转换的活性材料。与无机太阳能电池相比,它具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点,具有广阔的发展和应用前景,已成为当今新材料和新能源领域最富活力和生机的研究前沿之一。

目前,商用硅太阳能电池发电的成本比公用事业发电要高出10倍。为了降低太阳能电池发电成本,人们转向了有机分子材料。据美国物理学家组织网9月12日报道,哈佛大学、宾夕法尼亚哈弗福德学院和墨西哥国立自治大学研究人员推出了一项称为哈佛清洁能源计划(CEP)新计划,旨在寻找能提高光电设备效率的有机材料,将目前太阳能电池的能效水平从9.2%提高到10%到15%,寿命延长10年。

哈佛清洁能源计划(CEP)采用计算机辅助设计的方法:建立化合物组合库与虚拟筛选。其核心是:自动生成可能的化合物库,对库中的每个化合物进行量化计算获得HOMO-LUMO能量差。如果一个化合物HOMO-LUMO能量差足够好,这个化合物可能具有开发成光伏分子的潜力。

 

OPV组合库设计与虚拟筛选

OPV组合库设计与虚拟筛选

图1,墨灵格信息科技推荐的OPV发现的虚拟筛选方案

方案介绍

哈佛清洁能源计划开启了虚拟筛选发现有机光伏分子(OPV)的先例:利用化学信息学技术建立基于片段组合的虚拟化合物库、利用分布式格点计算的方式将组合库的每个化合物分配给参与该计划的各个自愿者的计算机上进行虚拟筛选,以期望发现性能优良的电子受体材料。该计划的核心是:组合库的设计与高通量虚拟筛选。

广州墨灵格信息科技不仅提供软件,更为具体问题提供解决方案。针对OPV分子的发现需求,我们提供了如图1所示的组合库设计与高精度虚拟筛选整体解决方案:利用Ilib Diverse进行组合库设计,Gaussian 09进行高精度、高通量的虚拟晒虚拟。

具体操作流程

1,组合库设计(虚拟库的生成)

Ilib Diverse可以实现基于反应的组合库设计或者基于母核的组合库设计。也就是说,你可以以一个化合物为母核、定义可变基团,枚举出可能组合组合物。或者定义一条合成路线与反应物,枚举出所以可能合成的产物。

ilibdiverse_rb

图2,基于合成的组合库设计

图2展示了Ilib Diverse基于反应的组合库设计的流程,指定反应物与合成路线,就可以枚举出所有的产物,得到目标组合库。不仅如此,Ilib Diverse与CORINA组合,生成高质量的化合物3D结构,可以直接提供给Gaussian进一步计算其化学性质。

总得来说,Ilib Diverse可以帮助轻而易举地建立自己感兴趣的化合物空间,剩下的问题是:在这个我能够得着的化学空间中,哪些化合物具有OPV的潜力?我们采用高通量虚拟筛选来解决这个问题。

 

2,高通量虚拟筛选

OPV的一个重要方向是发现电子受体材料,如果一个化合物具有合理的HOMO与LUMO能差,则这个化合物可能具有预期的性质。Gaussian 09是应用最广泛、最优秀的电子结构计算软件,已经广泛地应用于OPV分子的模拟。我们采用Gaussian 09,对上述的每个组合库中的化合物计算其HOMO与LUMO的能差作为虚拟筛选的打分函数。墨灵格为大家开发了高通量虚拟筛选专用的程序,可以快速对组合库的化合物进行HOMO与LUMO计算,最后富集出能差足够好的化合物。除了HOMO与LUMO计算,还可以进一步预测化合物的水溶性、油溶性等各种化合物性质,进一步过滤出性能优良的化合物。最后,进一步合成这些化合物进行试验验证,提高预期性能化合物的命中率。

 

结论

墨灵格信息科技致力于为客户提供完整解决方案,根据客户的需求提供定制服务。对于清洁能源OPV发现项目,我们为客户提供组合库设计与高通量虚拟筛选的完整方案:不仅为您提供软件,更为您提供买后即用的解决方案。更具体地讲,我们提供Ilib Diverse为大家设计与生成虚拟化合物(组合库),用Gaussian 09的量化计算能力提供精确的HOMO与LUMO计算能力,提供自行开发的程序,实现高通量自动执行的虚拟筛选,加以多种性质计算,最后发现各个性质都满足的化合物。