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Difusión de excitones en cristales moleculares

Un excitón es un electrón y un par de electrón-hueco, vinculados entre sí por una fuerza electrostática. Se trata de una cuasipartícula eléctricamente neutra que se observa en aislantes, semiconductores y algunos líquidos.
Difusión de excitones en cristales moleculares
La difusión de los excitones en cristales o agregados moleculares se produce en muchos dispositivos electrónicos orgánicos, como diodos emisores de luz y celdas solares. La longitud de difusión de excitones describe cómo estos se difunden hacia una interfaz de donantes-receptores a fin de iniciar el proceso de separación de cargas. Para obtener celdas solares orgánicas eficientes, esta longitud debe ser grande. Así se genera una fotocorriente.

El proyecto EXTMOC (Exciton transport in molecular crystals: The role of dynamic disorder) se inició para desarrollar un modelo teórico preciso que describiese la difusión de excitones en cristales moleculares. Principalmente, se trataba de introducir movimientos moleculares térmicos (desorden dinámico) en el enfoque. Se siguieron varios pasos: desarrollo de un esquema adecuado de adiabatización para calcular los acoplamientos excitónicos; evaluación de la fluctuación de los acoplamientos excitónicos a causa de los movimientos nucleares térmicos, y modelización teórica para estudiar la difusión de excitones en regímenes coherentes e incoherentes.

Se mostró que el acoplamiento excitónico en cristales moleculares está sometido a fluctuaciones muy importantes a temperatura ambiente, como resultado de los movimientos térmicos combinados de los núcleos. Se desarrolló un esquema de adiabatización para calcular los acoplamientos excitónicos entre un número arbitrario de estados en pares moleculares. El método se basaba en un procedimiento algebraico para determinar los estados diabáticos con propiedades lo más próximas posible a algunos estados de referencia.

Se derivó una expresión que expresa la velocidad de salto entre estados localizados en polímeros semiconductores desordenados que, a su vez, contiene las tasas más utilizadas en la literatura como casos especiales. Estas tasas no se pueden obtener directamente a partir de las teorías de tasas de transferencia electrónica, ya que no es posible definir estados localizados diabáticos si la localización se debe al desorden. Este es el caso en la mayoría de los polímeros en lugar de los efectos de polarización nuclear.

El equipo ha estudiado el mecanismo de generación de cargas libres en celdas fotovoltaicas orgánicas a partir de pares electrón-hueco enlazados electrostáticamente y ha demostrado que los movimientos térmicos en cristales moleculares causan fluctuaciones importantes en el acoplamiento excitónico entre moléculas vecinas (desorden dinámico). Se ha estudiado el efecto de estas fluctuaciones en la dinámica de los excitones en dos casos distintos, ejemplificados por cristales de antraceno y un derivado del heteropentaceno.

Los hallazgos del estudio podrían mejorar de forma importante el diseño de la tecnología fotovoltaica.

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Palabras clave

Excitón, difusión, diodo emisor de luz, celda solar, diabatización, antraceno, heteropentaceno
Número de registro: 188707 / Última actualización el: 2016-10-26
Dominio: Tecnologías industriales
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