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Accurate characterization of charge-transfer excited states

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Simulationswerkzeuge zur Unterstützung bei der Gestaltung von Solarzellen

Ein von der EU geförderter Forscher entwickelte in Zusammenarbeit mit Experten aus dem Baskenland und Kalifornien eine neue Methode zur Simulation von Ladungsübertragungszuständen, die das Kernstück der Solarzellenherstellung für erneuerbare Energien bildet.

Energie

Der Forscher entwickelte ein Modell für die bessere Simulation von Ladungsübertragungsprozessen, die eine wichtige Rolle bei Photosensibilisatoren und photokatalytischen Reaktionen spielen, die bei der Produktion von Solarenergie eingesetzt werden. „Die neue Methode zur Berechnung der durch Ladungsübertragung angeregten Zustände wurde auf mehreren Konferenzen vorgestellt und erhielt sehr gute Rückmeldungen aus der wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagte Dr. Eduard Matito, ein Experte im Bereich Elektronenkorrelation an der Universität des Baskenlands in Nordspanien. Er hat Dr. Eloy Ramos-Cordoba bei der Entwicklung einer Methode im EU-Projekt AccuCT (Accurate characterization of charge-transfer excited states) mit Unterstützung durch das Marie Skłodowska-Curie-Programm geholfen. Dr. Ramos-Cordoba hat auch die ersten beiden Jahre seines Forschungsprogramms an der Universität Kalifornien, Berkeley in den Vereinigten Staaten von Amerika verbracht und arbeitete dort mit dem Team von Prof. Martin Head-Gordon, der sich auf die Entwicklung von neuen elektronischen Strukturmethoden und deren Umsetzung als effiziente Computeralgorithmen konzentriert. „Dank dieser neuen Kenntnisse konnte ich eine neue Reihe von Methoden zur Behandlung von Ladungsübertragungszuständen vorschlagen“, sagte Dr. Ramos-Cordoba. Rasiermesserscharfe Simulation Ladungsübertragungsprozesse finden statt, wenn Elektronen, negative geladene Teilchen, von einem Teil eines Moleküls zu einem anderen Teil verschoben werden. Die Bewegung erzeugt ein Loch – eine Region mit positiver Ladung – und einen Überschuss an Elektronen in einem anderen Teil des Moleküls. Diese Bewegung ist oft der Schritt, der einer chemischen Reaktion oder einem physikalischen Verfahren vorhergeht. Die häufigste Art und Weise, einen Ladungsübertragungsprozess und andere molekulare photochemischen Prozesse zu simulieren, ist die Verwendung von Computerprogrammen, die mit der „Dichtefunktionaltheorie“ arbeiten. Die sich daraus ergebenden Schätzungen sind jedoch für Ladungsübertragungsprozesse nicht so genau, da Elektronen darin eher auf große statt auf kleine Distanzen agieren. „Derzeitige Dichtefunktionalannäherungen (DFA) geben oft keine genaue und zuverlässige Antwort und führen zu stark überschätzten Anregungsenergien“, erklärte Dr. Ramos-Cordoba. Bei dieser Methode ergeben sich auch Schwierigkeiten, kleine und große Moleküle gleichzeitig zu beschreiben, da sie keine Fehlerquote proportional zur Größe der Moleküle zulässt. Die Methode AccuCT ist viel genauer. „Im Projekt AccuCT haben wir eine neue Methode entwickelt, die Ladungsübertragungszustände richtig beschreibt und die mit einem Kurzstrecken-DFA kombiniert werden kann, um ein für den Langstreckenbereich korrigiertes Dichtefunktional zu erzeugen“, sagte Dr. Ramos-Cordoba. Mit der neuen Methode kann jede Art von elektronischer Erregung simuliert werden. “Wir gehen davon aus, dass wir durch die Korrektur eines der Fehler der DFA das Funktional verbessern konnten und somit Eigenschaften, die bisher schwierig zu simulieren waren, besser vorhersagen können“, so Dr. Matito. Bessere Simulationen ebnen den Weg für die einfachere Entwicklung von Solarzellen. Moleküle, die bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht eine Ladungsübertragungsseparation durchlaufen – Photosensibilisatoren – werden für den Bau von Solarzellen verwendet, die Energie aus der Strahlung natürlichen Lichts einsetzen, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die Arbeit von Dr. Ramos-Cordoba am Projekt hat dazu beigetragen, ein Stipendium der Juan de la Cierva Incorporación von der spanischen Regierung zu erhalten, um seine Arbeit an der Universität des Baskenlands fortzusetzen. Die Forscher des Projekts AccuCT veröffentlichten ihre Ergebnisse auf zehn Konferenzen und in drei Fachzeitschriften mit Begutachtung unter Fachkollegen. Drei weitere Artikel werden folgen. „Wir arbeiten zurzeit mit zwei Forschungsgruppen zusammen, die unsere Indizes verwenden wollen, um neue Simulationsmethoden zu entwickeln“, gibt Dr. Matito an.

Schlüsselbegriffe

AccuCT, Ladungsübertragungsprozesse, Solarzellen, Photosynthesiser, Solarenergie

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