Nuovo studio esplora i meccanismi di conversione della cella solare
La tecnologia fotovoltaica rappresenta una strada importante per soddisfare le domande energetiche globali in un modo sostenibile, raccogliendo la luce del Sole per la produzione di elettricità. I progettisti di polimeri sintetici per questo tipo di applicazioni hanno incontrato un grosso ostacolo creato dalla intrinseca difficoltà di raggiungere una elevata resa quantistica nella conversione energetica. Persino i sistemi con le migliori prestazioni raggiungono un’efficienza di conversione pari solo al 5 %. Gli scienziati finanziati dall’UE impegnati nel progetto EASE (Energy transfer in supramolecular nanostructures) hanno osservato la natura per trovare una fonte d’ispirazione. Il team ha sfruttato i metodi computazionali e i sistemi informatici all’avanguardia per studiare i meccanismi attraverso cui i centri fotosintetici naturali ottengono una resa quantistica elevata. Un notevole lavoro è stato dedicato allo studio di processi ultrarapidi di trasferimento in sistemi con nanotubi di carbonio (CNT) funzionalizzati con cromofori. Con un trasferimento di energia altamente efficiente, i complessi porfirine-CNT sono ideali per il fotovoltaico organico e per i diodi organici a emissione di luce. I ricercatori hanno studiato a fondo la struttura elettronica delle transizioni del cromoforo delle porfirine e dei CNT usando metodi della teoria del funzionale della densità. Essi hanno quindi determinato le densità spettrali delle molecole e gli accoppiamenti elettronici-vibrazionali (vibronici) di riflessione che giocano un ruolo fondamentale nel fenomeno di trasferimento oggetto di studio. Per questo scopo, i ricercatori hanno introdotto un protocollo dove l’ottimizzazione di geometrie nello stato eccitato serve a determinare gli accoppiamenti vibronici. Gli accoppiamenti elettronici tra le porfirine e i frammenti CNT sono stati dedotti dalle densità di transizione. Per ottenere le rilevanti densità spettrali dai dati relativi alla struttura elettronica è stato utilizzato un codice interno al progetto. Tutto questo lavoro ha portato all’ottenimento delle equazioni parametriche della funzione hamiltoniana dell’accoppiamento vibronico per il sistema porfirine-CNT. Questa funzione è stata quindi usata in calcoli numerici che si basavano sul metodo a configurazione multipla dipendente dal tempo di Hartree (MCTDH). I ricercatori hanno confrontato il MCTDH con i risultati numerici ottenuti dal metodo parzialmente linearizzato a matrice di densità. Le porfirine rappresentano un passaggio fondamentale per degli studi successivi riguardanti i processi di trasferimento di energia e carica in competizione tra loro. Oltre a facilitare degli importanti risultati scientifici, i finanziamenti hanno fornito numerose opportunità di formazione e di presentazione dei risultati a conferenze internazionali e in attività di divulgazione. EASE ha dato un importante contributo al settore del trasferimento di energia nelle strutture supramolecolari attraverso i suoi modelli computazionali e il loro utilizzo.
Parole chiave
Cella solare, dinamica quantistica, conversione energia, resa quantistica, trasferimento energia, vibronico
