Zgłębianie mechanizmów przemiany energii w ogniwie słonecznym Badanie dynamiki kwantowej naturalnych układów mogłoby być kluczem do wyjaśnienia wydajności ogniwa słonecznego w procesie przemiany energii. Więcej światła na ten złożony mechanizm rzuciły symulacje. Energia © Thinkstock Technologia fotowoltaiczna jest jedną z dróg prowadzących do zaspokojenia globalnego zapotrzebowania energetycznego w zrównoważony sposób i polega na produkcji energii elektrycznej z przechwyconego światła słonecznego. Projektanci polimerów syntetycznych do tego rodzaju zastosowań natknęli się na przeszkodę związaną z nieodłącznymi trudnościami uzyskania wysokiej wydajności kwantowej w procesie przemiany energii. Wydajność przemiany energii w nawet najdoskonalszych systemach wynosi zaledwie 5%. Naukowcy wspierani ze środków UE, pracujący nad projektem EASE (Energy transfer in supramolecular nanostructures) szukali inspiracji w przyrodzie. Zespół wykorzystał najnowocześniejsze metody obliczeniowe i systemy komputerowe do zbadania mechanizmów, które odpowiadają za uzyskiwanie wysokiej wydajności kwantowej przez naturalne ośrodki fotosyntetyczne. Znaczną część prac poświęcono na badanie procesów ultraszybkiego transferu w nanoprzewodach węglowych (CNT) funkcjonalizowanych chromoforem. Przy superwydajnym transferze energii kompleksy porfiryny z CNT idealnie nadają się do zastosowania w ogniwach fotowoltaicznych i organicznych diodach LED. Stosując teorię funkcjonału gęstości, naukowcy zbadali dokładnie budowę elektronową chromoforu porfirynowego i przejście dla CNT. Następnie określili gęstość widmową cząsteczek oraz odbijające światło sprzężenia wibronowe (powstałe przez wzbudzanie elektronów i oscylację cząsteczek), które odgrywają kluczową rolę w zjawiskach transferu będących przedmiotem badania. W tym celu naukowcy wdrożyli protokół, wedle którego optymalizacja układów geometrycznych w stanie wzbudzonym miała służyć określeniu sprzężeń wibronowych. Obecność sprzężeń elektronowych porfiryny z fragmentami CNT ustalono drogą dedukcji na podstawie danych o gęstości przejścia. Zastosowano wewnętrzny kod w celu otrzymania odpowiednich gęstości widmowych na podstawie danych o strukturze elektronowej. Prace zespołu doprowadziły do otrzymania równań parametrycznych funkcji hamiltona sprzężeń wibronowych dla układu porfiryna-CNT. Następnie otrzymaną funkcję wykorzystano do obliczeń numerycznych w oparciu o metodę Hartree-Focka (HF). Naukowcy porównali wyniki otrzymane metodą HF z wynikami numerycznymi otrzymanymi metodą częściowo linearnej macierzy gęstości. Porfiryny tworzą pomost do dalszych badań nad konkurencyjnością energii i procesami transferu ładunków. Poza dostarczeniem ważnych wniosków naukowych, finansowanie dostarczyło licznych możliwości szkolenia i zaprezentowania wyników na międzynarodowych konferencjach i w ramach działań popularyzatorskich. Projekt EASE wnosi ważny wkład w dziedzinę transferu energii w strukturach nadcząsteczkowych za sprawą swoich modeli obliczeniowych i ich zastosowania. Słowa kluczowe Ogniwo słoneczne, dynamika kwantowa, przemiana energii, wydajność kwantowa, transfer energii, wibronowe
