Une équipe de recherche en chimie quantique dirigée par le Dr Jun Yang du Département de chimie de l'Université de Hong Kong (HKU) a développé une technique de calcul étendue et largement applicable en utilisant des algorithmes de chimie quantique de haut niveau pour révéler des voies complexes de transfert d'électrons et d'énergie dans processus photophysiques. Les méthodes théoriques et les résultats informatiques ont été publiés dans la revue phare Sciences chimiques de la Société royale de chimie, Royaume-Uni. Les algorithmes de chimie quantique développés à HKU marquent une percée dans la recherche théorique et informatique sur les nouveaux mécanismes émergents menant aux matériaux photofonctionnels organiques de nouvelle génération à partir de simulations quantiques à grande échelle de haute précision.

L'efficacité des cellules solaires de l'architecture conventionnelle à jonction p-n simple à base de silicium est intrinsèquement plafonnée par la limite de Shockley-Queisser, c'est à dire., seulement environ 33 pour cent de la lumière solaire incidente totale peuvent être récoltés et convertis en raison des pertes de spectre. Cependant, cette limite d'efficacité peut être supprimée en incorporant de nouveaux canaux de duplication de paires électron-trou. La fission singulet est un mécanisme émergent par lequel la génération d'excitons est stimulée aux dépens d'une seule énergie photonique pour doubler les courants électriques dans la cellule solaire, et détient un grand potentiel pour améliorer considérablement l'efficacité de la conversion lumière-électricité et révolutionner la course à la production d'énergie renouvelable basée sur des dispositifs solaires à base de silicium de troisième génération.

Depuis les années 1960, lorsque la recherche sur la fission singulet a attiré l'attention, il y a eu de nombreuses études dans ce domaine, des études de mécanique fondamentale à la conception de matériaux et au développement de dispositifs. Cependant, le mécanisme de duplication des excitons et la perte d'énergie inexpliquée au cours de sa cinétique restent une grande inconnue; cela a entravé la découverte et l'application de matériaux de fission singulet. Bien qu'il existe de nombreuses affirmations et justifications mécanistes proposées, il y a des ambiguïtés persistantes, débats de longue date et grande controverse dans la définition des rôles et comportements précis des états excitoniques essentiels dans le déclenchement du processus de fission en raison de la nature photophysique très complexe et coopérative prenant des interactions quantiques entre des électrons fortement corrélés et leur environnement vibrationnel.

Méthodologies et réalisation

Dans cette recherche, l'équipe de recherche en chimie quantique de HKU a proposé et étayé en outre que la description correcte des détails de la fission singulet doit nécessiter la prise en compte d'électrons beaucoup plus corrélés, des états excitoniques beaucoup plus bas et l'inclusion de couplages beaucoup plus forts entre différents excitons avec certaines vibrations moléculaires, que ce qui était attendu dans toutes les études précédentes dans la littérature. Le calcul précis de tous ces états quantiques et interactions quantiques, ce qui a été un grand défi pour les algorithmes de chimie quantique conventionnels auparavant, est maintenant réalisable en utilisant l'algorithme de champ auto-cohérent de la méthode du groupe de renormalisation de la matrice de densité ab-initio (DMRG-SCF), amélioré par le Dr Yang et ses collègues. L'équipe de recherche a en outre proposé l'inclusion du « formalisme à deux particules » pour évaluer les propriétés de transport de charge et de génération de paires 1 (TT) à partir de la fonction d'onde DMRG-SCF.

Les principaux résultats de la recherche comprennent :

1. L'équipe de recherche développe un nouvel algorithme pour capturer avec précision les états et interactions quantiques à plusieurs corps en corrélant un nombre sans précédent d'électrons π de valence à partir des simulations ab-initio DMRG-SCF à grande échelle. Ces interactions ont été soit exclues, soit jugées sans importance sur la base d'approximations brutes du modèle dans la plupart des rapports de littérature précédents. Ici, l'étude de chimie quantique HKU a conclu que les interactions récupérées sont essentielles pour déterminer et équilibrer les subtilités photophysiques de la fission singulet.
2. Les chercheurs soulignent que les interactions coulombiennes électrostatiques provenant d'états de transfert de charge, qui étaient considérés comme importants pour médier l'état de paire triplet-triplet dans les rapports de la littérature, sont insuffisants pour piloter le processus de fission singulet dans le dimère de pentacène. L'étude informatique de haute précision révèle clairement la nature à double rôle des états de transfert de charge :c'est le couplage fort de l'état 1(TT) avec des états excitoniques à transfert de charge faibles et forts mélangés à des vibrations moléculaires qui régissent la génération de la population, la cinétique de transfert et de délocalisation associée à l'état de paire 1(TT) au sein de différentes régions vibroniques dans le dimère pentacène.

"Ce travail précise, pour la première fois, que c'est la coexistence de fortes corrélations électron-électron et de couplages électron-vibration qui donne un processus de fission singulet efficace dans le pentacène, ce qui est étonnamment complexe, et en fait, la découverte n'est possible que si des algorithmes de chimie quantique à N corps numériquement précis sont utilisés, par opposition aux autres méthodes de niveau inférieur prévalant dans ce domaine. La recherche à HKU est encourageante et pointe vers de nouvelles stratégies de conception de matériaux qui peuvent être exploitées en modifiant les composants chimiques et l'infrastructure en conséquence, " a déclaré le Dr Yang, chef de projet.

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."