问题——提升太阳能电池效率，既依赖材料对太阳光的强吸收，也取决于光生载流子的有效分离与输运。近年来，原子级厚度的二维材料因其原子几乎全部暴露表面、对光与电场响应灵敏，被认为是构建新一代超薄光伏器件的有力候选。但在器件层面，二维材料堆叠形成的异质结往往伴随复杂界面与大尺度原子结构，如何在光照条件下准确描述激发态行为并据此预测器件性能，成为从材料发现走向工程应用的关键瓶颈。 原因——二维材料可“像积木一样”通过范德瓦尔斯力实现垂直堆叠，在界面形成范德瓦尔斯异质结。相较传统外延异质结，这类结构对晶格匹配的要求更低，通常能较好保留各层材料的本征带隙与高迁移率，并在界面产生有利于电荷分离的内建电场或空间电荷区，从而延长载流子寿命、降低复合损失。同时——二维体系中激子效应更突出——强可见光吸收与激发态动力学共同决定最终的光电转换表现。难点在于，常规第一性原理方法更擅长处理基态性质，对激子等激发态的描述能力有限；而可用于激发态的含时密度泛函理论（TDDFT）计算量大、对体系规模极为敏感，长期难以覆盖真实异质结所需的数千原子量级，导致“方法有了但算不动”成为主要障碍。 影响——针对该瓶颈，对应的团队将“ISDF+TDDFT”等加速策略与高性能计算资源结合，大幅提升大规模激发态计算效率，实现对数千原子二维异质结体系的分钟级模拟。在此基础上，研究评估了由氢化磷烯与氟化磷烯纳米层自组装形成的单结太阳能电池，预测其理论光电转换效率可超过20%，并显示开路电压、填充因子等关键参数仍存在协同优化空间。更重要的是，这项工作建立了一套可复用的计算框架：在接近真实器件尺度上直接评估激发态电子结构与光电响应，提高材料筛选与结构设计的可预期性，减少试错成本并缩短研发周期。 对策——面向高效光伏材料与器件研发，需要推动“算法—软件—算力—应用”协同进展。一上，通过数值线性代数、张量分解等方法降低TDDFT等计算的时间与内存开销，使“理论上准确”更接近“实际可算”；另一方面，建设高性能、可扩展的软件体系。相关开源平面波第一性原理软件已在光学、电学、磁学与热学等多物性模拟中提供支撑，并通过杂化泛函、大规模并行与分子动力学等能力，增强对复杂材料体系的综合刻画。同时，高性能计算平台以弹性资源与一体化运维降低使用门槛，让研究团队把更多精力投入模型与物理问题本身，形成更高效的计算研发闭环。 前景——随着二维材料家族持续扩展、异质结界面工程不断深入，未来高效率薄膜光伏器件的竞争将更多体现在材料组合的精细设计，以及界面激发态过程的可控调节。大规模激发态模拟能力的提升，有望加速发现同时满足理想带隙、强吸收、低复合与高迁移率的新材料组合，为高效、轻量、柔性光伏应用打开更大空间。同时，这一路线也可延伸至光催化、发光器件、量子信息材料等领域，提升从基础研究到应用落地的转化效率。随着算法迭代、软件生态完善与算力供给增长，计算材料学将在关键材料体系中更好起到“前置筛选”和“机理验证”作用，为产业端提供更可靠的技术储备。
这项研究说明了我国新型光伏材料与大规模激发态计算上的综合能力提升，也展示了算法创新与算力平台协同带来的效率优势；在“双碳”目标驱动下，类似技术的持续突破将加快高效光伏材料与器件的研发节奏，为新能源产业提供更扎实的科学依据与工程路径。