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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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.
