Modellering af høst af sollys i nanostrukturer

For at skabe den næste generation af solpaneler og andre lysdrevne enheder, videnskabsmænd skal modellere, hvordan komplekse interaktioner opstår. Modellering på tværs af forskellige skalaer, fra individuelle atomer til meget store systemer med tusindvis af atomer, giver den nødvendige indsigt. I en oversigtsartikel i Chemical Reviews, et hold videnskabsmænd vurderede den nyeste teknologi for beregninger, der blev brugt til at modellere elektroniske tilstande i ekstremt tynde film. Beregningerne og de resulterende modeller kaster nyt lys over relevante forudsagte elektroniske og optiske egenskaber og lysdrevne dynamiske processer. For eksempel, videnskabsmænd udviklede modeller, der førte til rationelle designprincipper for bedre solpaneler og andre solenergikonverteringsteknologier.

Denne gennemgangsartikel giver en one-stop-shop til at forstå videnskabens tilstand og fremhæver kommende beregningsmæssige udfordringer, såsom at simulere et stort antal atomer og fænomener, der krydser skalaer, såsom interaktioner på atomær skala, der påvirker langt større områder.

Forskere gennemgik elektroniske strukturberegninger af lysdrevne processer i organiske og halvleder nanostrukturer. De gennemgik også, hvordan disse beregninger har fremmet vores forståelse af nanostrukturernes optiske egenskaber og excitationsdynamik. I anmeldelsen disse nanostrukturer spænder fra nanokrystaller kaldet kvanteprikker med nuldimensionalitet til nanorør og isolerede polymerkæder af organiske halvledere, der er kvasi-endimensionelle materialer. Størrelsen, form, og topologi af disse nanostrukturer styrer deres egenskaber. Dimensionaliteten definerer "kvanteindeslutningen" i disse nanostrukturer og påvirker den elektroniske struktur og "fotofysik."

For eksempel, størrelsen af ​​kvanteprikken bestemmer begrænsningen af ​​den elektroniske excitation, dvs. det elektroniske båndgab afhænger stærkt af størrelsen af ​​kvanteprikken. Ud over, faktorer, der spænder fra overfladekemi til strukturel uorden, påvirker elektroniske egenskaber såvel som lysindsamling og bærertransport i solenergikonverteringsenheder. Forskerne fremhævede, hvordan teori, modellering, og simulering kan supplere eksperimenter for fuldt ud at forstå og udnytte elektroniske og strukturelle egenskaber. Alligevel, forfatterne identificerede udfordringer lige fra det beregningsmæssigt uoverskuelige antal atomer i storskala nanostrukturer til kompleksiteten og multiskalakarakteren af ​​vigtige optiske fænomener, som skal overvindes.