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Accurate characterization of charge-transfer excited states

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Strumenti di simulazione per aiutare la progettazione delle celle solari

Un ricercatore finanziato dall’UE ha lavorato con esperti nei Paesi Baschi e in California al fine di sviluppare un nuovo metodo per simulare gli stati a trasferimento di carica, che sono alla base della creazione di celle solari per le energie rinnovabili.

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Un ricercatore finanziato dall’UE ha sviluppato un modello per migliori simulazioni dei processi a trasferimento di carica (CT, charge transfer), che giocano un ruolo chiave nei fotosensibilizzanti e nelle reazioni fotocatalitiche, sfruttati per produrre energia solare. «Il nuovo metodo per calcolare stati eccitati a trasferimento di carica è stato presentato a varie conferenze, ricevendo un riscontro molto positivo dalla comunità scientifica», ha dichiarato il dott. Eduard Matito, un esperto nel campo della correlazione elettronica, alla Università dei Paesi Baschi nella Spagna settentrionale. Ha aiutato il dott. Eloy Ramos-Cordoba a sviluppare il metodo nel progetto dell’UE AccuCT (Accurate characterization of charge-transfer excited states), con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie. Il dott. Ramos-Cordoba ha inoltre trascorso i primi due anni del suo programma di ricerca alla Università della California, Berkeley negli Stati Uniti, lavorando con il team del prof. Martin Head-Gordon, che si concentra sullo sviluppo di nuovi metodi per la struttura elettronica e la loro implementazione quali efficienti algoritmi informatici. «È stato grazie a queste nuove competenze che sono stato in grado di proporre una nuova famiglia di metodi per trattare gli stati a CT», ha affermato il dott. Ramos-Cordoba. Una simulazione chiara e dettagliata I processi a trasferimento di carica avvengono quando gli elettroni, particelle a carica negativa, vengono trasferiti da una parte a un’altra di una molecola. Il movimento crea una lacuna, una regione a carica positiva, e un eccesso di elettroni in un’altra parte della molecola. Questo movimento è spesso la fase precedente a una reazione chimica o a un processo fisico. Il modo più comune per simulare i processi a trasferimento di carica e altri processi molecolari fotochimici è quello di usare programmi informatici che operano utilizzando la «teoria del funzionale della densità». Tuttavia, le sue approssimazioni non sono così accurate per i processi a CT dal momento che gli elettroni al loro interno interagiscono su distanze grandi, anziché brevi. «Le attuali approssimazioni del funzionale della densità (DFA, Density Functional Approximations) spesso non riescono a fornire una risposta accurata e attendibile, dando energie di eccitazione molto sovrastimate», ha spiegato il dott. Ramos-Cordoba. Questo metodo ha inoltre delle difficoltà nel descrivere simultaneamente molecole piccole e grandi, visto che non assegna un margine di errore proporzionale alle dimensioni della molecola. Il metodo AccuCT è molto più accurato. «Nell’ambito di AccuCT abbiamo sviluppato un nuovo metodo che descrive correttamente gli stati a CT, che può essere combinato con un DFA a corto raggio per produrre un funzionale della densità corretto a lungo raggio», ha dichiarato il dott. Ramos-Cordoba. Il nuovo metodo è in grado di simulare qualsiasi tipo di eccitazione elettronica. «Correggendo uno dei difetti delle DFA, ci aspettiamo di migliorare il funzionale e, quindi, fornire migliori previsioni delle proprietà che erano in precedenza difficili da simulare», ha affermato il dott. Matito. Migliori simulazioni aprono la strada a uno sviluppo più semplice delle celle solari. Le molecole che subiscono la separazione a trasferimento di carica in seguito a radiazione da luce visibile, ovvero i fotosensibilizzanti, sono usate per creare celle solari, che utilizzano l’energia proveniente dalla radiazione della luce visibile per creare una corrente elettrica. Il lavoro del dott. Ramos-Cordoba sul progetto lo ha aiutato a vincere una borsa di studio Juan de la Cierva Incorporación dal governo spagnolo per proseguire il suo lavoro all’Università dei Paesi Baschi. I ricercatori coinvolti in AccuCT hanno condiviso le loro scoperte in 10 conferenze e in tre riviste a revisione paritaria e stanno ora scrivendo per altre tre. «Al momento stiamo collaborando con due gruppi di ricerca che vogliono utilizzare i nostri indici per sviluppare nuovi metodi di simulazione», ha concluso il dott. Matito.

Parole chiave

AccuCT, processi a trasferimento di carica, celle solari, fotosintetizzatori, energia solare

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