Para crear la próxima generación de paneles solares y otros dispositivos impulsados ​​por luz, los científicos deben modelar cómo ocurren las interacciones complejas. Modelado a diferentes escalas, desde átomos individuales hasta sistemas muy grandes con miles de átomos, proporciona los conocimientos necesarios. En un artículo de revisión en Chemical Reviews, un equipo de científicos evaluó el estado del arte de los cálculos utilizados para modelar estados electrónicos en películas extremadamente delgadas. Los cálculos y los modelos resultantes arrojan nueva luz sobre las propiedades ópticas y electrónicas pronosticadas relevantes y los procesos dinámicos impulsados ​​por la luz. Por ejemplo, Los científicos desarrollaron modelos que llevaron a principios de diseño racionales para mejores paneles solares y otras tecnologías de conversión de energía solar.

Este artículo de revisión proporciona una ventanilla única para comprender el estado de la ciencia y destaca los próximos desafíos computacionales, como simular una gran cantidad de átomos y fenómenos que cruzan escalas, como interacciones a escala atómica que influyen en áreas mucho más grandes.

Los científicos revisaron los cálculos de la estructura electrónica de los procesos impulsados ​​por la luz en nanoestructuras orgánicas y semiconductoras. También revisaron cómo estos cálculos han mejorado nuestra comprensión de las propiedades ópticas y la dinámica de excitación de las nanoestructuras. En la revisión, estas nanoestructuras van desde nanocristales llamados puntos cuánticos con dimensionalidad cero hasta nanotubos y cadenas poliméricas aisladas de semiconductores orgánicos que son materiales cuasi unidimensionales. El tamaño, forma, y la topología de estas nanoestructuras controlan sus propiedades. La dimensionalidad define el "confinamiento cuántico" en estas nanoestructuras y afecta la estructura electrónica y la "fotofísica".

Por ejemplo, el tamaño del punto cuántico determina el confinamiento de la excitación electrónica, es decir., la banda prohibida electrónica depende en gran medida del tamaño del punto cuántico. Además, factores que van desde la química de la superficie hasta el desorden estructural afectan las propiedades electrónicas, así como la captación de luz y el transporte de portadores en los dispositivos de conversión de energía solar. Los científicos destacaron cómo la teoría, modelado, y la simulación puede complementar los experimentos para comprender y explotar completamente las propiedades electrónicas y estructurales. Sin embargo, los autores identificaron desafíos que van desde el número de átomos computacionalmente inmanejable en nanoestructuras a gran escala hasta la complejidad y la naturaleza multiescala de importantes fenómenos ópticos que deben superarse.