För att skapa nästa generation solpaneler och andra ljusdrivna enheter, forskare måste modellera hur komplexa interaktioner uppstår. Modellering över olika skalor, från enskilda atomer till mycket stora system med tusentals atomer, ger nödvändiga insikter. I en översiktsartikel i Chemical Reviews, ett team av forskare utvärderade teknikens ståndpunkt för beräkningar som används för att modellera elektroniska tillstånd i mycket tunna filmer. Beräkningarna och de resulterande modellerna kastar nytt ljus över relevanta förutsagda elektroniska och optiska egenskaper och ljusdrivna dynamiska processer. Till exempel, forskare utvecklade modeller som ledde till rationella designprinciper för bättre solpaneler och annan teknik för omvandling av solenergi.

Denna översiktsartikel ger en one-stop-shop för att förstå vetenskapens tillstånd och belyser kommande beräkningsutmaningar, som att simulera ett stort antal atomer och fenomen som korsar skalor, såsom interaktioner i atomskala som påverkar långt större områden.

Forskare granskade elektroniska strukturberäkningar av ljusdrivna processer i organiska och halvledarnanostrukturer. De granskade också hur dessa beräkningar har främjat vår förståelse av de optiska egenskaperna och excitationsdynamiken för nanostrukturerna. I granskningen, dessa nanostrukturer sträcker sig från nanokristaller som kallas kvantprickar med nolldimensionalitet till nanorör och isolerade polymerkedjor av organiska halvledare som är kvasi-endimensionella material. Storleken, form, och topologi för dessa nanostrukturer styr deras egenskaper. Dimensionaliteten definierar "kvantbegränsningen" i dessa nanostrukturer och påverkar den elektroniska strukturen och "fotofysiken".

Till exempel, storleken på kvantpunkten bestämmer inneslutningen av den elektroniska excitationen, d.v.s. det elektroniska bandgapet beror starkt på storleken på kvantpunkten. Dessutom, faktorer som sträcker sig från ytkemi till strukturell störning påverkar elektroniska egenskaper såväl som lätta skördar och bärartransport i enheter för omvandling av solenergi. Forskarna framhöll hur teori, modellering, och simulering kan komplettera experiment för att fullt ut förstå och utnyttja elektroniska och strukturella egenskaper. Ändå, författarna identifierade utmaningar som sträcker sig från det beräkningsmässigt ohanterliga antalet atomer i storskaliga nanostrukturer till komplexiteten och multiskala karaktären hos viktiga optiska fenomen som måste övervinnas.