Para criar a próxima geração de painéis solares e outros dispositivos movidos a luz, os cientistas devem modelar como ocorrem as interações complexas. Modelagem em diferentes escalas, de átomos individuais a sistemas muito grandes com milhares de átomos, fornece os insights necessários. Em um artigo de revisão na Chemical Reviews, uma equipe de cientistas avaliou o estado da arte para cálculos usados ​​para modelar estados eletrônicos em filmes extremamente finos. Os cálculos e modelos resultantes lançam uma nova luz sobre as propriedades eletrônicas e ópticas previstas relevantes e os processos dinâmicos movidos a luz. Por exemplo, os cientistas desenvolveram modelos que levaram a princípios de design racionais para melhores painéis solares e outras tecnologias de conversão de energia solar.

Este artigo de revisão fornece um balcão único para a compreensão do estado da ciência e destaca os desafios computacionais futuros, como simular um grande número de átomos e fenômenos que cruzam escalas, como interações em escala atômica que influenciam áreas muito maiores.

Os cientistas revisaram os cálculos da estrutura eletrônica de processos conduzidos pela luz em nanoestruturas orgânicas e semicondutoras. Eles também revisaram como esses cálculos aumentaram nossa compreensão das propriedades ópticas e da dinâmica de excitação das nanoestruturas. Na revisão, essas nanoestruturas variam de nanocristais chamados pontos quânticos com dimensionalidade zero a nanotubos e cadeias poliméricas isoladas de semicondutores orgânicos que são materiais quase unidimensionais. O tamanho, forma, e a topologia dessas nanoestruturas controla suas propriedades. A dimensionalidade define o "confinamento quântico" nessas nanoestruturas e afeta a estrutura eletrônica e a "fotofísica".

Por exemplo, o tamanho do ponto quântico determina o confinamento da excitação eletrônica, ou seja, o gap eletrônico depende fortemente do tamanho do ponto quântico. Além disso, fatores que vão desde a química da superfície até a desordem estrutural afetam as propriedades eletrônicas, bem como a captação de luz e o transporte de portadores em dispositivos de conversão de energia solar. Os cientistas destacaram como a teoria, modelagem, e a simulação pode complementar experimentos para compreender e explorar totalmente as propriedades eletrônicas e estruturais. No entanto, os autores identificaram desafios que vão desde o número computacionalmente incontrolável de átomos em nanoestruturas de grande escala até a complexidade e a natureza multiescala de fenômenos ópticos importantes que devem ser superados.