有機光伏分子的設計與篩選

光伏材料

光伏材料是能將太陽能直接轉換成電能的材料。光伏材料又稱太陽電池材料,只有半導體材料具有這種功能。

有機太陽能電池是20世紀90年代發展起來的新型太陽能電池,它是以有機半導體作為實現光電轉換的活性材料。與無機太陽能電池相比,它具有成本低、厚度薄、質量輕、制造工藝簡單、可做成大面積柔性器件等優點,具有廣闊的發展和應用前景,已成為當今新材料和新能源領域最富活力和生機的研究前沿之一。

目前,商用硅太陽能電池發電的成本比公用事業發電要高出10倍。為了降低太陽能電池發電成本,人們轉向了有機分子材料。據美國物理學家組織網9月12日報道,哈佛大學、賓夕法尼亞哈弗福德學院和墨西哥國立自治大學研究人員推出了一項稱為哈佛清潔能源計劃(CEP)新計劃,旨在尋找能提高光電設備效率的有機材料,將目前太陽能電池的能效水平從9.2%提高到10%到15%,壽命延長10年。

哈佛清潔能源計劃(CEP)采用計算機輔助設計的方法:建立化合物組合庫與虛擬篩選。其核心是:自動生成可能的化合物庫,對庫中的每個化合物進行量化計算獲得HOMO-LUMO能量差。如果一個化合物HOMO-LUMO能量差足夠好,這個化合物可能具有開發成光伏分子的潛力。

 

OPV組合庫設計與虛擬篩選

OPV組合庫設計與虛擬篩選

圖1,墨靈格信息科技推薦的OPV發現的虛擬篩選方案

方案介紹

哈佛清潔能源計劃開啟了虛擬篩選發現有機光伏分子(OPV)的先例:利用化學信息學技術建立基于片段組合的虛擬化合物庫、利用分布式格點計算的方式將組合庫的每個化合物分配給參與該計劃的各個自愿者的計算機上進行虛擬篩選,以期望發現性能優良的電子受體材料。該計劃的核心是:組合庫的設計與高通量虛擬篩選。

廣州墨靈格信息科技不僅提供軟件,更為具體問題提供解決方案。針對OPV分子的發現需求,我們提供了如圖1所示的組合庫設計與高精度虛擬篩選整體解決方案:利用Ilib Diverse進行組合庫設計,Gaussian 09進行高精度、高通量的虛擬曬虛擬。

具體操作流程

1,組合庫設計(虛擬庫的生成)

Ilib Diverse可以實現基于反應的組合庫設計或者基于母核的組合庫設計。也就是說,你可以以一個化合物為母核、定義可變基團,枚舉出可能組合組合物。或者定義一條合成路線與反應物,枚舉出所以可能合成的產物。

ilibdiverse_rb

圖2,基于合成的組合庫設計

圖2展示了Ilib Diverse基于反應的組合庫設計的流程,指定反應物與合成路線,就可以枚舉出所有的產物,得到目標組合庫。不僅如此,Ilib Diverse與CORINA組合,生成高質量的化合物3D結構,可以直接提供給Gaussian進一步計算其化學性質。

總得來說,Ilib Diverse可以幫助輕而易舉地建立自己感興趣的化合物空間,剩下的問題是:在這個我能夠得著的化學空間中,哪些化合物具有OPV的潛力?我們采用高通量虛擬篩選來解決這個問題。

 

2,高通量虛擬篩選

OPV的一個重要方向是發現電子受體材料,如果一個化合物具有合理的HOMO與LUMO能差,則這個化合物可能具有預期的性質。Gaussian 09是應用最廣泛、最優秀的電子結構計算軟件,已經廣泛地應用于OPV分子的模擬。我們采用Gaussian 09,對上述的每個組合庫中的化合物計算其HOMO與LUMO的能差作為虛擬篩選的打分函數。墨靈格為大家開發了高通量虛擬篩選專用的程序,可以快速對組合庫的化合物進行HOMO與LUMO計算,最后富集出能差足夠好的化合物。除了HOMO與LUMO計算,還可以進一步預測化合物的水溶性、油溶性等各種化合物性質,進一步過濾出性能優良的化合物。最后,進一步合成這些化合物進行試驗驗證,提高預期性能化合物的命中率。

 

結論

墨靈格信息科技致力于為客戶提供完整解決方案,根據客戶的需求提供定制服務。對于清潔能源OPV發現項目,我們為客戶提供組合庫設計與高通量虛擬篩選的完整方案:不僅為您提供軟件,更為您提供買后即用的解決方案。更具體地講,我們提供Ilib Diverse為大家設計與生成虛擬化合物(組合庫),用Gaussian 09的量化計算能力提供精確的HOMO與LUMO計算能力,提供自行開發的程序,實現高通量自動執行的虛擬篩選,加以多種性質計算,最后發現各個性質都滿足的化合物。

 

 

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