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探寻可代替化石能源的环境友好型再生能源研究，已成为全球热点。由于太阳能具有易获取、可高输出而受到广泛关注。不同太阳能电池将太阳的光能转换成电能的效率是不同的，但所有太阳能电池都不可能将全部太阳能转换为电能，存在一个转换效率理论极限，即肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser, SQ）极限。对于任何类型的单结太阳能电池，SQ极限为33%。近年来运用单重态裂变 (SF)的多激子生成技术，有望使太阳能电池的功率转换效率不再受单结电池SQ极限限制。但单重态裂变需要化合物满足一定的能量条件，而化合物的电子结构是影响其性能的重要因素。运用机器学习研究靛蓝衍生物电子结构与单线态裂变的关系，挖掘其单线态裂变设计规则，对设计单重态裂变靛蓝衍生物具有重要意义。
来自日本中央大学的Fabian Weber和日本分子科学研究所的Hirotoshi Mori的研究团队，受电子结构理论与单线态裂变能量条件之间关系的启发，运用机器学习和量子化学方法，确定了靛蓝衍生物单线态裂变结构设计规则，并推断出基于波函数的规则。他们提出了三步分析方法，首先从满足能量条件的2,2'-二乙烯基靛蓝衍生物候选化合物中获取结构信息，在此基础上建立了随机森林分类器，再以此区分靛蓝衍生物是否为单重态裂变光伏器件候选物。作者分析发现，靠近分子中心部分（自旋密度聚集区域）的自旋密度的局部变化对设计单重态裂变靛蓝分子起着关键作用。另外，2,2'-碳原子上的电荷的局部变化也是重要影响因素。该研究除了揭示单重态裂变的能量条件、双自由基特征与分子中心区域的电荷和三重态自旋密度之间的关系外，还解释了如何预筛选一组在十个残基位置具有不同取代基的靛蓝衍生物，用来选择2,2'-二乙烯基靛蓝的化学空间，提供了超过400万个2,2'-二乙烯基靛蓝衍生物的激发态能量计算值，并将所需的结构模体转化为基于波函数的设计规则。作者的研究工作为设计单重态裂变靛蓝核心结构提供了理论指导。
该文近期发表于npj Computational Materials 8：176 (2022)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Machine-learning assisted design principle search for singlet fission: an example study of cibalackrot
Fabian Weber & Hirotoshi Mori
This work uses quantum chemistry calculations and machine learning to explore design rules for singlet fission in a chemical space of four million indigoid derivatives. We identify ~400,000 derivatives of 2,2′-diethenyl cibalackrot, which theoretically fulfil the energy conditions for exoergic singlet fission above the silicon band gap energy. Probing this database with a random forest classifier, we observe that small substituents with positive mesomeric effects and weak negative inductive effects reinforce the desired energetic conditions when placed at specific positions. Finally, a subset of molecules that reflects the random forest classifier’s rules are investigated for their quantum chemical properties to translate the desirable structural motifs into wavefunction-based design rules. Here, direct correlations between the energetic condition for singlet fission, the biradical character and the charge and triplet spin density in prominent molecular regions are identified, providing insights that may serve as a guide for singlet fission core structure development.
