Banebrydende kvantekemiteknik til beregningsdesign og optimering af organiske fotofunktionelle materialer

Et kvantkemiforskningsteam ledet af Dr. Jun Yang fra Institut for Kemi ved University of Hong Kong (HKU) har udviklet en omfattende og bredt anvendelig beregningsteknik ved hjælp af kvantekemikalgoritmer på højt niveau til at afsløre komplekse elektron- og energioverførselsveje i fotofysiske processer. De teoretiske metoder og beregningsresultater er blevet offentliggjort på flagskibstidsskriftet Kemisk videnskab af Royal Society of Chemistry, U.K. Kvantekemiske algoritmer udviklet på HKU markerer et gennembrud inden for teoretisk og beregningsmæssig forskning om nye nye mekanismer, der fører til næste generations organiske fotofunktionelle materialer fra storpræcisionsstore kvantesimuleringer.

Solcelleeffektiviteten af ​​konventionel siliciumbaseret enkelt p-n junction-arkitektur er iboende begrænset af Shockley-Queisser-grænsen, dvs. kun omkring 33 procent af det samlede indfaldende sollys kan høstes og konverteres på grund af spektrumtab. Imidlertid, denne effektivitetsgrænse kan fjernes ved at inkorporere nye kanaler for duplikering af elektronhuller. Singlet fission er en sådan ny mekanisme, hvormed exciton -generationen øges på bekostning af kun en foton energi til at fordoble elektriske strømme i solceller, og rummer et stort potentiale for væsentligt at forbedre effektiviteten af ​​konvertering af lys-elektricitet og revolutionere kapløbet om at producere vedvarende energi baseret på tredje generations siliciumbaserede solcelleanlæg.

Siden 1960’erne har da forskning om singlet fission vakte opmærksomhed, der har været mange undersøgelser på dette område, fra grundlæggende mekanistiske undersøgelser til materialedesign og enhedsudvikling. Imidlertid, exciton -duplikationsmekanismen og det uforklarlige energitab under dets kinetik er stadig et stort ukendt; dette har plaget opdagelse og anvendelse af singlet fission materialer. Selvom der er mange foreslåede mekanistiske påstande og begrundelser, der er vedvarende uklarheder, langvarige debatter og stor kontrovers i at definere de præcise roller og adfærd for væsentlige excitoniske stater ved at skubbe fissionsprocessen på grund af den meget indviklede og kooperative fotofysiske natur, der tager kvanteinteraktioner mellem stærkt korrelerede elektroner og deres vibrationsmiljø.

Metoder og præstationer

I denne forskning, HKU kvantekemiforskningsteam har foreslået og yderligere begrundet, at den korrekte beskrivelse af singlet fission detaljer skal nødvendiggøre regnskab for meget mere korrelerede elektroner, meget mere lavtliggende excitoniske tilstande og inddragelse af meget stærkere koblinger mellem forskellige excitoner med visse molekylære vibrationer, end forventet i alle tidligere litteraturstudier. Den nøjagtige beregning af alle disse kvantetilstande og kvanteinteraktioner, hvilket tidligere har været en stor udfordring for konventionelle kvantekemiske algoritmer, er nu muligt ved at anvende den selvkonsistente feltalgoritme til ab-initio densitetsmatrix renormaliseringsgruppemetode (DMRG-SCF), forbedret af Dr. Yang og kolleger. Forskergruppen har yderligere foreslået at inkludere 'topartikelformalismen' for at evaluere ladningstransport og 1 (TT) pargenerationsegenskaber fra DMRG-SCF-bølgefunktionen.

De vigtigste forskningsresultater omfatter:

1. Forskergruppen udvikler en ny algoritme til præcist at fange kvantetilstande og interaktioner med mange legemer ved at korrelere et hidtil uset stort antal valence π-elektroner fra de store ab-initio DMRG-SCF-simuleringer. Disse interaktioner blev enten udelukket eller anset for uvæsentlige baseret på grove modeltilnærmelser i de fleste tidligere litteraturrapporter. Her, HKU kvantekemiske undersøgelse har konkluderet, at de genvundne interaktioner er afgørende for at bestemme og afbalancere de fotofysiske finesser af singlet fission.
2. Forskerne påpeger, at de elektrostatiske coulombiske interaktioner, der stammer fra ladningsoverførselstilstande, som man mente var vigtig for at formidle triplet-triplet-par-tilstand i litteraturrapporter, er utilstrækkelige til at drive singlet -fissionsprocessen i pentacen -dimer. Beregningsundersøgelsen med høj præcision afslører klart ladningsoverførselstilstandernes dobbeltrolle:det er den stærke kobling af 1 (TT) tilstand med både svage og stærke ladningsoverførsel excitoniske tilstande blandet med molekylære vibrationer, der styrer befolkningsgenerationen, overførslen og delokaliseringskinetikken forbundet med 1 (TT) partilstand inden for forskellige vibroniske regioner i pentacendimer.

"Dette arbejde tydeliggør, for første gang, at det er sameksistensen af ​​stærke elektron-elektron-korrelationer og elektron-vibrationskoblinger, der giver en effektiv singlet-fissionsproces i pentacen, som er utrolig kompleks, og faktisk, fundet er kun muligt, hvis der bruges numerisk nøjagtige kvantekemiske algoritmer med mange legemer, i modsætning til andre metoder på lavere niveau, der er gældende på dette område. Forskningen på HKU er opmuntrende og peger på nye materialedesignstrategier, der kan udnyttes ved at ændre kemiske komponenter og infrastruktur i overensstemmelse hermed, "sagde Dr. Yang, projektleder.

The first author Mr Rajat Walia added:"we will use this computational scheme to further develop several doped inter- and intramolecular singlet fission candidates by adding proper charge-separation in parent acenes and polyacenes with various substituents, and search for optimal packing and orientation to achieve enhanced singlet fission rates."