p Uma equipe de pesquisa em química quântica liderada pelo Dr. Jun Yang do Departamento de Química da Universidade de Hong Kong (HKU) desenvolveu uma técnica computacional extensa e amplamente aplicável usando algoritmos de química quântica de alto nível para revelar vias complexas de transferência de elétrons e energia em processos fotofísicos. Os métodos teóricos e as descobertas computacionais foram publicados na revista principal Ciência Química da Royal Society of Chemistry, Reino Unido Os algoritmos de química quântica desenvolvidos em HKU marcam um avanço na pesquisa teórica e computacional sobre novos mecanismos emergentes que levam aos materiais fotofuncionais orgânicos de próxima geração a partir de simulações quânticas de alta precisão em larga escala. p A eficiência da célula solar da arquitetura de junção p-n única baseada em silício convencional é intrinsecamente limitada pelo limite de Shockley-Queisser, ou seja, apenas cerca de 33 por cento da luz solar incidente total pode ser colhida e convertida devido a perdas de espectro. Contudo, este limite de eficiência pode ser removido incorporando novos canais de duplicação do par elétron-buraco. A fissão singlete é um mecanismo emergente pelo qual a geração de excitons é impulsionada à custa da energia de apenas um fóton para dobrar as correntes elétricas na célula solar, e possui um grande potencial para melhorar substancialmente a eficiência de conversão de luz em eletricidade e revolucionar a corrida para a produção de energia renovável com base em dispositivos solares de silício de terceira geração.

p Desde 1960, quando a pesquisa de fissão singlete chamou a atenção, tem havido muitos estudos neste campo, de estudos mecanísticos fundamentais a design de materiais e desenvolvimento de dispositivos. Contudo, o mecanismo de duplicação de excitons e a perda de energia inexplicável durante sua cinética permanecem uma grande incógnita; isso tem prejudicado a descoberta e a aplicação de materiais de fissão singlete. Embora existam muitas propostas de afirmações e fundamentos mecanicistas, existem ambiguidades persistentes, debates de longa data e grande controvérsia na definição dos papéis precisos e comportamentos de estados excitônicos essenciais em impulsionar o processo de fissão devido à natureza fotofísica muito intrincada e cooperativa tomando interações quânticas entre elétrons fortemente correlacionados e seu ambiente vibracional.

p Metodologias e conquistas

p Nesta pesquisa, a equipe de pesquisa de química quântica HKU propôs e comprovou que a descrição correta dos detalhes da fissão singlete deve exigir a consideração de muito mais elétrons correlacionados, muito mais estados excitônicos baixos e a inclusão de acoplamentos muito mais fortes entre diferentes excitons com certas vibrações moleculares, do que o esperado em todos os estudos anteriores da literatura. O cálculo preciso de todos esses estados quânticos e interações quânticas, que tem sido um grande desafio para algoritmos de química quântica convencionais anteriormente, agora é viável empregando o algoritmo de campo autoconsistente do método de grupo de renormalização de matriz de densidade ab-initio (DMRG-SCF), melhorado pelo Dr. Yang e colegas de trabalho. A equipe de pesquisa propôs ainda a inclusão do 'formalismo de duas partículas' para avaliar o transporte de carga e as propriedades de geração de 1 (TT) par da função de onda DMRG-SCF.

p Os principais resultados da pesquisa incluem:

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1. A equipe de pesquisa desenvolve um novo algoritmo para capturar com precisão estados quânticos de muitos corpos e interações, correlacionando um número sem precedentes de elétrons π de valência das simulações de DMRG-SCF ab initio em grande escala. Essas interações foram excluídas ou consideradas sem importância com base em aproximações de modelo bruto na maioria dos relatórios anteriores da literatura. Aqui, o estudo de química quântica HKU concluiu que as interações recuperadas são críticas para determinar e equilibrar as sutilezas fotofísicas da fissão singlete.
2. Os pesquisadores apontam que as interações Coulombic eletrostáticas originadas de estados de transferência de carga, que se acreditava ser importante para mediar o estado do par tripleto-tripleto em relatórios da literatura, são insuficientes para conduzir o processo de fissão singlete em dímero de pentaceno. O estudo computacional de alta precisão revela claramente a natureza de dupla função dos estados de transferência de carga:é o forte acoplamento do estado 1 (TT) com estados excitônicos de transferência de carga forte e fraco misturados com vibrações moleculares que governam a geração da população, a transferência e a cinética de deslocalização associadas ao estado de 1 (TT) par em diferentes regiões vibrônicas no dímero de pentaceno.

p “Este trabalho esclarece, pela primeira vez, que é a coexistência de fortes correlações elétron-elétron e acoplamentos elétron-vibração que produz um processo de fissão singlete eficiente no pentaceno, o que é incrivelmente complexo, e de fato, a descoberta só é possível se forem usados ​​algoritmos de química quântica de muitos corpos numericamente precisos, em oposição a outros métodos de nível inferior prevalecentes neste campo. A pesquisa na HKU é encorajadora e aponta para novas estratégias de design de materiais que podem ser exploradas, modificando componentes químicos e infraestrutura de acordo, "disse o Dr. Yang, líder do projeto.

p O primeiro autor, Sr. Rajat Walia, acrescentou:"usaremos este esquema computacional para desenvolver ainda mais vários candidatos dopados de fissão singlete inter e intramolecular, adicionando separação de carga adequada em acenos e poliacenos parentes com vários substituintes, e busca por empacotamento e orientação ideais para atingir taxas de fissão singlete aprimoradas. "