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Diffusione di eccitoni all’interno di cristalli molecolari

Un eccitone è costituito da un elettrone e una coppia elettrone-lacuna, vincolati a vicenda mediante forza elettrostatica. Si tratta di una quasiparticella elettricamente neutra presente all’interno di isolanti, semiconduttori e alcuni liquidi.
Diffusione di eccitoni all’interno di cristalli molecolari
La diffusione degli eccitoni all’interno di cristalli o aggregati molecolari si verifica in molti dispositivi elettronici organici tra cui diodi led e celle solari. Un’ampia lunghezza di diffusione degli eccitoni costituisce un requisito in fatto di celle solari organiche efficienti, all’interno delle quali gli eccitoni si diffondono a un’interfaccia donatore-accettore per avviare un processo di separazione di carica. Ciò porta alla generazione di corrente fotoelettrica.

Il progetto EXTMOC (Exciton transport in molecular crystals: The role of dynamic disorder) è stato avviato allo scopo di sviluppare un accurato modello teorico in grado di descrivere la diffusione degli eccitoni all’interno dei cristalli molecolari. Il focus riguarda l’introduzione di moti molecolari termici (disturbo dinamico) nell’approssimazione. Sono stati svolti vari passaggi: sviluppo di un appropriato schema di diabatizzazione per il calcolo degli accoppiamenti eccitonici; valutazione della fluttuazione relativa agli accoppiamenti eccitonici dovuti ai movimenti termici nucleari; e modelli teorici per lo studio di diffusione degli eccitoni nei regimi coerenti e incoerenti.

È stato dimostrato che l’accoppiamento eccitonico nei cristalli molecolari subisce una fluttuazione molto elevata a temperatura ambiente, a seguito dei moti termici combinati relativi ai nuclei. È stato sviluppato uno schema di diabatizzazione al fine di calcolare gli accoppiamenti eccitonici tra un numero arbitrario di stati all’interno delle coppie molecolari. Il metodo si è basato su una procedura algebrica per trovare gli stati diabatici con proprietà che sono quanto più possibile vicine ad alcuni stati di riferimento.

Inoltre, è stata derivata un’espressione per il livello di salto tra stati localizzati all’interno di polimeri semiconduttori disordinati che contengono i livelli maggiormente usati in letteratura, come casi speciali. Tali livelli non possono essere ottenuti direttamente dalle teorie di tasso di trasferimento degli elettroni, poiché non è possibile definire stati diabatici localizzati se la localizzazione è causata dal disordine. Questo è il caso per la maggior parte dei polimeri piuttosto che per gli effetti di polarizzazione nucleare.

Il team ha studiato il meccanismo di generazione di cariche libere nelle celle fotovoltaiche organiche dalle coppie elettrone-lacuna legate a livello elettrostatico. È stato dimostrato che i movimenti termici nei cristalli molecolari causano una notevole fluttuazione dell’accoppiamento eccitonico tra molecole vicine (disturbo dinamico). L’effetto di tale fluttuazione sulla dinamica dell’eccitone è stato studiato per due casi contrastanti, esemplificati da cristalli di antracene e un derivato dell’eteropentacene.

I risultati dello studio potrebbero migliorare significativamente la progettazione della tecnologia fotovoltaica.

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Keywords

Eccitone, diffusione, diodo led, cella solare, diabatizzazione, eteropentacene, antracene