Ett kvantkemisk forskargrupp ledd av Dr. Jun Yang från Institutionen för kemi vid University of Hong Kong (HKU) har utvecklat en omfattande och allmänt tillämpbar beräkningsteknik med hjälp av kvantkemikalgoritmer på hög nivå för att avslöja komplexa elektron- och energiöverföringsvägar i fotofysiska processer. De teoretiska metoderna och beräkningsfynden har publicerats på flaggskeppstidskriften Kemisk vetenskap av Royal Society of Chemistry, Storbritannien De kvantkemikalgoritmer som utvecklats vid HKU markerar ett genombrott i teoretisk och beräkningsmässig forskning om nya framväxande mekanismer som leder till nästa generations organiska fotofunktionella material från storprecisions storskaliga kvantsimuleringar.

Solcellseffektiviteten för konventionell kiselbaserad enkel p-n-korsningsarkitektur begränsas i sig av Shockley-Queisser-gränsen, d.v.s. endast cirka 33 procent av det totala infallande solljuset kan skördas och omvandlas på grund av spektrumförluster. Dock, denna effektivitetsgräns kan tas bort genom att införliva nya kanaler för dubblering av elektronhålspar. Singlet fission är en sådan framväxande mekanism genom vilken excitongenereringen förstärks på bekostnad av endast en fotonenergi för att fördubbla elektriska strömmar i solceller, och har en stor potential att avsevärt förbättra ljus-el-konverteringseffektiviteten och revolutionera loppet för att producera förnybar energi baserat på tredje generationens kiselbaserade solapparater.

Sedan 1960-talet, när forskning om singlet fission väckte uppmärksamhet, det har gjorts många studier inom detta område, från grundläggande mekanistiska studier till materialdesign och enhetsutveckling. Dock, exciton -dubbleringsmekanismen och den oförklarliga energiförlusten under dess kinetik förblir en stor okänd; detta har plågat upptäckten och tillämpningen av singlet fission material. Även om det finns många föreslagna mekanistiska påståenden och skäl, det finns ihållande oklarheter, långvariga debatter och stor kontrovers när det gäller att definiera de exakta rollerna och beteenden hos väsentliga excitoniska tillstånd för att driva klyvningsprocessen på grund av den mycket invecklade och kooperativa fotofysiska naturen som tar kvantinteraktioner mellan starkt korrelerade elektroner och deras vibrationsmiljö.

Metoder och prestationer

I denna forskning, HKU:s kvantkemiforskare har föreslagit och ytterligare underbyggt att den korrekta beskrivningen av singlettklyvningsdetaljer måste göra det nödvändigt att ta hänsyn till mycket mer korrelerade elektroner, mycket mer lågt liggande excitoniska tillstånd och införandet av mycket starkare kopplingar mellan olika excitoner med vissa molekylära vibrationer, än vad som förväntades i alla tidigare studier i litteraturen. Den exakta beräkningen av alla dessa kvanttillstånd och kvantinteraktioner, vilket tidigare varit en stor utmaning för konventionella kvantkemialgoritmer, är nu möjligt genom att använda den självkonsistenta fältalgoritmen för renormaliseringsgruppmetoden ab-initio densitetsmatris (DMRG-SCF), förbättras av Dr. Yang och medarbetare. Forskargruppen har vidare föreslagit inkludering av "tvåpartikelformalismen" för att utvärdera laddtransport och 1 (TT) pargenerationsegenskaper från DMRG-SCF-vågfunktionen.

De viktigaste forskningsresultaten inkluderar:

1. Forskargruppen utvecklar en ny algoritm för att exakt fånga många kropps kvanttillstånd och interaktioner genom att korrelera ett aldrig tidigare skådat stort antal valens π-elektroner från storskaliga ab-initio DMRG-SCF-simuleringar. Dessa interaktioner var antingen uteslutna eller ansågs oviktiga baserat på ungefärliga modell -approximationer i de flesta tidigare litteraturrapporter. Här, HKUs kvantkemistudie har kommit fram till att de återvunna interaktionerna är avgörande för att bestämma och balansera de fotofysiska subtiliteterna av singlet fission.
2. Forskarna påpekar att de elektrostatiska coulombiska interaktionerna härrör från laddningsöverföringstillstånd, som man trodde var viktigt för att förmedla triplet-triplet par-tillstånd i litteraturrapporter, är otillräckliga för att driva singlet -klyvningsprocessen i pentacendimer. Beräkningsstudien med hög precision avslöjar tydligt laddningsöverföringstillståndens dubbla roll:det är den starka kopplingen mellan 1 (TT) tillstånd med både svaga och starka laddningsöverförings excitoniska tillstånd blandade med molekylära vibrationer som styr befolkningsgenerationen, överföringen och delokaliseringskinetiken associerad med 1 (TT) partillstånd inom olika vibroniska regioner i pentacendimer.

"Detta arbete klargör, för första gången, att det är samexistensen av starka elektron-elektron-korrelationer och elektron-vibrationskopplingar som ger en effektiv singlettklyvningsprocess i pentacen, vilket är otroligt komplext, och faktiskt, upptäckten är endast möjlig om numeriskt korrekta kvantkemialgoritmer för många kroppar används, i motsats till andra metoder på lägre nivå som råder på detta område. Forskningen vid HKU är uppmuntrande och pekar på nya materialdesignstrategier som kan utnyttjas genom att modifiera kemiska komponenter och infrastruktur i enlighet därmed, "sa Dr Yang, ledare för projektet.

The first author Mr Rajat Walia added:"we will use this computational scheme to further develop several doped inter- and intramolecular singlet fission candidates by adding proper charge-separation in parent acenes and polyacenes with various substituents, and search for optimal packing and orientation to achieve enhanced singlet fission rates."