Във време, когато нефтът, въглищата и природният газ са на изчерпване и нашите въздух, води и почви са непоправимо замърсени, повече от всякога се нуждаем от „зелени“ алтернативи за производство на енергия. Слънцето е неизчерпаем източник на чиста енергия, която от няколко десетилетия се мъчим да усвоим. Органичните соларни клетки притежават уникални преимущества над широко използваните силициеви соларни клетки: те са гъвкави, евтини, леки и щадящи околната среда. По тази причина, през последните десетилетия изследванията в сферата на органичните фотоволтаични материали са много интензивни. Въпреки усилена работа в областта, основният недостатък на органичните соларни клетки остава тяхната ниска енергийна ефективност.
Наскоро беше показано, че успешна стратегия за повишаване на производителността на органичните соларни клетки е използването на материали, които претърпяват синглетно разцепване (SF). При обикновените органични фотоволтаици един фотон от слънчевата светлина възбужда една молекула и създава 2 токови носителя – един положителен и един отрицателен. При SF хромофорите възбудената молекула може да ‘сподели’ възбуждането със съседна и по този начин от един фотон да се получат 4 токови носителя – 2 положителни и 2 отрицателни. Така ефективността се удвоява, но процесът изисква да са налице набор от условия, които трудно се удовлетворяват, а и моделирането им е нетривиална задача.
Към момента познатите съединенията, които отговарят на всички условия за синглетно разцепване са малка част от съществуващите молекули. Ето защо, издирването на нови материали, способни на синглетно разцепване наподобява търсенето на игла в купа сено. Проектът цели от една страна да намери не една, а повече игли и от друга – да установи какво прави тези игли толкова специални, за да предложи как да ги фабрикуваме сами и да настройваме свойствата им за целите на органичната фотоволтаика.
При търсенето на молекули за синглетно разцепване експерименталните подходи са твърде скъпи и времеемки, тъй като изискват лабораторен синтез и използването на сложни аналитични техники за охарактеризиране на пробите. Решение на проблема може да предложи изчислителната химия, която сравнително бързо и евтино може да пресметне свойствата на молекулите. Ако се направи йерархия на изискванията към молекулите, с методите на изчислителната химия могат да се ‘пресеят’ огромен брой органични хромофори за да се провери дали отговарят първо на най-лесно постижимото изискване; след това направената извадка да се филтрира по отношение на следващото по строгост условие, и така докато бъдат удовлетворени всички условия и се намери нов потенциален материал. Осъществяването на тази стратегия изисква мултидисциплинарен подход. Наред с квантово-механичните методи се налага използване на статистически подходи за анализ на данни. Извънредно полезни за целите на проекта са алгоритмите за машинно обучение (machine learning, ML), които станаха много популярни напоследък, защото позволяват обработка на огромни масиви от данни за отсяване на желани елементи от тях или за предсказване на липсващи такива. В рамките на проекта ще бъде оформена база данни от молекули с капацитет за синглетно разцепване, които да се използват директно в органичните соларни клетки и/или да служат като структурни фрагменти за направата на нови фотоволтаични материали. От друга страна, в хода на ‚пресяването‘ ще бъдат извлечени закономерности за връзката между структура и свойства, които да послужат за дизайн на нови молекули за високо-ефективни и ниски по себестойност органични фотоволтаици. Ще бъдат направени и първите експериментални проучвания на новооткрити молекули с капацитет за синглетно разцепване.