Per creare la prossima generazione di pannelli solari e altri dispositivi azionati dalla luce, gli scienziati devono modellare il modo in cui si verificano le interazioni complesse. Modellazione su diverse scale, da singoli atomi a sistemi molto grandi con migliaia di atomi, fornisce gli approfondimenti necessari. In un articolo di revisione in Recensioni chimiche, un team di scienziati ha valutato lo stato dell'arte dei calcoli utilizzati per modellare gli stati elettronici in pellicole estremamente sottili. I calcoli ei modelli risultanti gettano nuova luce sulle importanti proprietà elettroniche e ottiche previste e sui processi dinamici guidati dalla luce. Per esempio, gli scienziati hanno sviluppato modelli che hanno portato a principi di progettazione razionale per migliori pannelli solari e altre tecnologie di conversione dell'energia solare.

Questo articolo di revisione fornisce uno sportello unico per comprendere lo stato della scienza e mette in evidenza le imminenti sfide computazionali, come simulare un gran numero di atomi e fenomeni che attraversano le scale, come le interazioni su scala atomica che influenzano aree molto più vaste.

Gli scienziati hanno esaminato i calcoli della struttura elettronica dei processi guidati dalla luce nelle nanostrutture organiche e dei semiconduttori. Hanno anche esaminato come questi calcoli hanno migliorato la nostra comprensione delle proprietà ottiche e delle dinamiche di eccitazione delle nanostrutture. Nella recensione, queste nanostrutture vanno da nanocristalli chiamati punti quantici con dimensione zero a nanotubi e catene polimeriche isolate di semiconduttori organici che sono materiali quasi unidimensionali. La dimensione, forma, e la topologia di queste nanostrutture ne controllano le proprietà. La dimensionalità definisce il "confinamento quantistico" in queste nanostrutture e influenza la struttura elettronica e la "fotofisica".

Per esempio, la dimensione del punto quantico determina il confinamento dell'eccitazione elettronica, cioè., il band gap elettronico dipende fortemente dalla dimensione del punto quantico. Inoltre, fattori che vanno dalla chimica di superficie al disordine strutturale influenzano le proprietà elettroniche, nonché la raccolta della luce e il trasporto dei vettori nei dispositivi di conversione dell'energia solare. Gli scienziati hanno evidenziato come la teoria, modellazione, e la simulazione può integrare gli esperimenti per comprendere e sfruttare appieno le proprietà elettroniche e strutturali. Tuttavia, gli autori hanno identificato sfide che vanno dal numero computazionalmente ingestibile di atomi nelle nanostrutture su larga scala alla complessità e alla natura multiscala di importanti fenomeni ottici che devono essere superati.