Un equipo de investigación de química cuántica dirigido por el Dr. Jun Yang del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU) ha desarrollado una técnica computacional extensa y ampliamente aplicable utilizando algoritmos de química cuántica de alto nivel para revelar vías complejas de transferencia de energía y electrones en Procesos fotofísicos. Los métodos teóricos y los hallazgos computacionales se han publicado en la revista insignia. Ciencia química de la Real Sociedad de Química, Reino Unido Los algoritmos de química cuántica desarrollados en HKU marcan un gran avance en la investigación teórica y computacional sobre nuevos mecanismos emergentes que conducen a los materiales fotofuncionales orgánicos de próxima generación a partir de simulaciones cuánticas a gran escala de alta precisión.

La eficiencia de la célula solar de la arquitectura de unión p-n simple basada en silicio convencional está intrínsecamente limitada por el límite Shockley-Queisser, es decir., solo alrededor del 33 por ciento de la luz solar incidente total puede recolectarse y convertirse debido a las pérdidas de espectro. Sin embargo, este límite de eficiencia puede eliminarse mediante la incorporación de nuevos canales de duplicación de pares de electrones y huecos. La fisión singlete es un mecanismo emergente por el cual se impulsa la generación de excitones a expensas de la energía de un solo fotón para duplicar las corrientes eléctricas en la célula solar. y tiene un gran potencial para mejorar sustancialmente la eficiencia de conversión de luz-electricidad y revolucionar la carrera por producir energía renovable basada en dispositivos solares de tercera generación basados ​​en silicio.

Desde la década de 1960, cuando la investigación de la fisión singlete llamó la atención, ha habido muchos estudios en este campo, desde estudios mecanicistas fundamentales hasta diseño de materiales y desarrollo de dispositivos. Sin embargo, el mecanismo de duplicación del excitón y la inexplicable pérdida de energía durante su cinética siguen siendo una gran incógnita; esto ha plagado el descubrimiento y la aplicación de materiales de fisión singlete. Si bien hay muchas afirmaciones y fundamentos mecanicistas propuestos, hay ambigüedades persistentes, Debates de larga data y gran controversia en la definición de los roles y comportamientos precisos de los estados excitónicos esenciales para impulsar el proceso de fisión debido a la naturaleza fotofísica muy intrincada y cooperativa que toma interacciones cuánticas entre electrones fuertemente correlacionados y su entorno vibratorio.

Metodologías y logro

En esta investigación, el equipo de investigación de química cuántica de HKU ha propuesto y corroborado que la descripción correcta de los detalles de la fisión singlete debe requerir la cuenta de electrones mucho más correlacionados, estados excitónicos mucho más bajos y la inclusión de acoplamientos mucho más fuertes entre diferentes excitones con ciertas vibraciones moleculares, de lo esperado en todos los estudios previos en la literatura. El cálculo preciso de todos estos estados cuánticos e interacciones cuánticas, que ha sido un gran desafío para los algoritmos de química cuántica convencionales anteriormente, ahora es factible empleando el algoritmo de campo autoconsistente del método de grupo de renormalización de matriz de densidad ab-initio (DMRG-SCF), mejorado por el Dr. Yang y compañeros de trabajo. El equipo de investigación ha propuesto además la inclusión del 'formalismo de dos partículas' para evaluar el transporte de carga y las propiedades de generación de 1 par (TT) de la función de onda DMRG-SCF.

Los principales hallazgos de la investigación incluyen:

1. El equipo de investigación desarrolla un algoritmo novedoso para capturar con precisión estados e interacciones cuánticas de muchos cuerpos al correlacionar un número sin precedentes de electrones π de valencia de las simulaciones ab-initio DMRG-SCF a gran escala. Estas interacciones fueron excluidas o consideradas sin importancia en base a aproximaciones de modelos burdos en la mayoría de los informes de literatura anteriores. Aquí, el estudio de química cuántica de HKU ha concluido que las interacciones recuperadas son críticas para determinar y equilibrar las sutilezas fotofísicas de la fisión singlete.
2. Los investigadores señalan que las interacciones Coulombic electrostáticas que se originan a partir de estados de transferencia de carga, que se creía que eran importantes para mediar el estado del par triplete-triplete en los informes de la literatura, son insuficientes para impulsar el proceso de fisión singlete en el dímero de pentaceno. El estudio computacional de alta precisión revela claramente la naturaleza de doble función de los estados de transferencia de carga:es el fuerte acoplamiento del estado 1 (TT) con estados excitónicos de transferencia de carga fuertes y débiles mezclados con vibraciones moleculares que gobiernan la generación de la población, la transferencia y la cinética de deslocalización asociadas con el estado de 1 par (TT) dentro de diferentes regiones vibrónicas en el dímero de pentaceno.

"Este trabajo aclara, por primera vez, que es la coexistencia de fuertes correlaciones electrón-electrón y acoplamientos electrón-vibración lo que produce un proceso de fisión singlete eficiente en el pentaceno, que es asombrosamente complejo, y de hecho, el hallazgo es posible solo si se utilizan algoritmos de química cuántica de muchos cuerpos numéricamente precisos, a diferencia de otros métodos de nivel inferior que prevalecen en este campo. La investigación en HKU es alentadora y apunta a nuevas estrategias de diseño de materiales que pueden explotarse modificando los componentes químicos y la infraestructura en consecuencia. "dijo el Dr. Yang, líder del proyecto.

El primer autor, el Sr. Rajat Walia, agregó:"utilizaremos este esquema computacional para desarrollar aún más varios candidatos de fisión singlete inter e intramoleculares dopados mediante la adición de una separación de carga adecuada en los acenos y poliacenos parentales con varios sustituyentes, and search for optimal packing and orientation to achieve enhanced singlet fission rates."