Narzędzia symulacyjne pomagają w projektowaniu ogniw słonecznych
Badacz korzystający z unijnego dofinansowania opracował model umożliwiający skuteczniejszą symulację procesów transferu ładunku, które odgrywają kluczową rolę w fotouczulaczach i reakcjach fotokatalitycznych, wykorzystywanych w produkcji energii słonecznej. „Nowa metoda obliczania stanów wzbudzonych transferu ładunków była prezentowana na kilku konferencjach i spotkała się bardzo dobrymi opiniami środowiska naukowego”, mówi dr Eduard Matito, ekspert ds. korelacji elektronów na Uniwersytecie Kraju Basków w północnej Hiszpanii. Naukowiec pomógł dr Eloyowi Ramosowi-Cordobie w opracowaniu tej metody w ramach projektu EU AccuCT (Accurate characterization of charge-transfer excited states), realizowanego przy wsparciu finansowym działania „Maria Skłodowska-Curie”. Przez pierwsze dwa lata swojego programu badawczego dr Ramos-Cordoba pracował na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w Stanach Zjednoczonych, jako członek zespołu prof. Martina Heada-Gordona, który zajmuje się opracowywaniem nowych metod dotyczących struktury elektronów i ich wdrażaniem w formie wydajnych algorytmów komputerowych. „To dzięki tym nowym umiejętnościom byłem w stanie zaproponować nową grupę metod analizy stanów transferu ładunku”, twierdzi dr Ramos-Cordoba. Precyzyjna symulacja Procesy transferu ładunku zachodzą, gdy elektrony – ujemnie naładowane cząstki – są przenoszone z jednej części cząsteczki do drugiej. W wyniku tego przemieszczenia powstaje luka – obszar ładunku dodatniego – i nadmiar elektronów w innej części cząsteczki. Ten ruch jest często etapem poprzedzającym reakcję chemiczną lub proces fizyczny. Najpowszechniejszym sposobem symulacji procesów transferu ładunku i innych procesów fotochemicznych jest wykorzystanie programów komputerowych działających w oparciu o teorię funkcjonału gęstości. Jednak jej przybliżenia nie są tak dokładne w przypadku procesów transferu ładunku, ponieważ elektrony oddziałują na duże, a nie na małe odległości. „Aktualnie stosowane przybliżone funkcjonały gęstości często nie dają dokładnej i wiarygodnej odpowiedzi, wykazując znacznie przeszacowane energie wzbudzenia”, wyjaśnia dr Ramos-Cordoba. Metoda ta próbuje ponadto opisywać jednocześnie małe i duże cząsteczki, ponieważ nie przypisuje marginesu błędu proporcjonalnego do wielkości cząsteczki. Metoda opracowana w ramach inicjatywy AccuCT jest znacznie dokładniejsza. „W projekcie AccuCT opracowaliśmy nową metodę, która właściwie opisuje stany transferu ładunku i która może być połączona z przybliżonymi funkcjonałami gęstości bliskiego zasięgu, aby uzyskać skorygowany funkcjonał gęstości dalekiego zasięgu”, mówi dr Ramos-Cordoba. Nowa metoda umożliwia symulowanie dowolnego rodzaju wzbudzenia elektronów. „Korygując jedną z wad przybliżonych funkcjonałów gęstości, chcemy poprawić funkcjonał, a co za tym idzie, lepiej przewidywać właściwości, które wcześniej były trudne do symulowania”, tłumaczy dr Matito. Lepsze symulacje torują drogę do łatwiejszego opracowywania ogniw słonecznych. Cząsteczki, w których zachodzi separacja ładunku pod wpływem promieniowania światła widzialnego – fotouczulacze – są wykorzystywane do tworzenia ogniw słonecznych, które wykorzystują energię z promieniowania światła widzialnego do generowania prądu elektrycznego. Wkład wniesiony przez dr. Ramosa-Cordobę w realizację projektu pozwolił mu na zdobycie grantu Juan de la Cierva Incorporación od rządu hiszpańskiego na kontynuację pracy na Uniwersytecie Kraju Basków. Naukowcy zajmujący się projektem AccuCT przedstawili swoje odkrycia na 10 konferencjach naukowych oraz w trzech recenzowanych czasopismach. W przygotowaniu są trzy kolejne publikacje. „Obecnie współpracujemy z dwiema grupami badawczymi, które chcą wykorzystać nasze wskaźniki do opracowania nowych metod symulacji”, mówi dr Matito.
Słowa kluczowe
AccuCT, procesy transferu ładunku, ogniwa słoneczne, fotouczulacze, energia słoneczna