Nuevo estudio sobre los mecanismos de conversión en celdas solares
La tecnología fotovoltaica representa una vía importante para poder cubrir las demandas globales de energía de forma sostenible aprovechando la luz del sol para generar electricidad. Los diseñadores de polímeros sintéticos para estas aplicaciones se han topado con la dificultad inherente de convertir energía con un rendimiento cuántico elevado. Incluso los sistemas con el mejor rendimiento solo logran un 5 % de eficiencia en la conversión. El grupo de científicos financiado por la Unión Europea que trabaja en el proyecto EASE (Energy transfer in supramolecular nanostructures) buscó inspiración en la naturaleza. El equipo aprovechó métodos y sistemas de computación avanzados para analizar los mecanismos por los cuales los centros fotosintéticos naturales consiguen rendimientos cuánticos elevados. Una gran parte del trabajo se dedicó a estudiar los procesos de transferencia ultrarrápida en sistemas de nanotubos de carbono (CNT) funcionalizados con cromóforos. Gracias a una transferencia de energía de alta eficiencia, los complejos porfirina-CNT son ideales para las estructuras fotovoltaicas orgánicas y los diodos emisores de luz orgánicos. Los investigadores estudiaron minuciosamente la estructura electrónica del cromóforo porfirina y las transiciones de los CNT utilizando métodos de la teoría funcional de la densidad. A continuación, determinaron las densidades espectrales moleculares y los acoplamientos vibracionales-electrónicos (vibrónicos) reflectantes que desempeñan un papel esencial en los fenómenos de transferencia estudiados. Con este fin, los investigadores introdujeron un protocolo en el cual la optimización de las geometrías de estados excitados sirve para determinar acoplamientos vibrónicos. Los acoplamientos entre los fragmentos de porfirina y CNT se dedujeron a partir de las densidades de transmisión. Se utilizó código de desarrollo propio con el fin de obtener las densidades espectrales relevantes a partir de los datos de las estructuras electrónicas. Todo este trabajo permitió obtener las ecuaciones paramétricas del hamiltoniano del acoplamiento vibrónico para el sistema porfirina-CNT. A continuación, se utilizó esta función en cálculos numéricos basados en el método de Hartree multiconfiguración y dependiente del tiempo (MCTDH). Los investigadores compararon MCTDH con los resultados numéricos del método de matrices de densidad parcialmente linealizadas. Las porfirinas son un paso importante como base para estudios de continuación relacionados con los procesos de transferencia de carga y transferencia de energía que compiten entre sí. Además de facilitar la obtención de resultados científicos importantes, la financiación ha proporcionado muchas oportunidades de formación y de presentar los resultados en congresos internacionales y actividades de divulgación. EASE realizó una aportación importante al campo de la transferencia de energía en estructuras supramoleculares mediante sus modelos computacionales y sus aplicaciones.
Palabras clave
Celda solar, dinámica cuántica, conversión de energía, rendimiento cuántico, transferencia de energía, vibrónica
