Pour créer la prochaine génération de panneaux solaires et d'autres appareils alimentés par la lumière, les scientifiques doivent modéliser la manière dont les interactions complexes se produisent. Modélisation à différentes échelles, des atomes individuels aux très grands systèmes avec des milliers d'atomes, fournit les informations nécessaires. Dans un article de synthèse dans Chemical Reviews, une équipe de scientifiques a évalué l'état de l'art des calculs utilisés pour modéliser les états électroniques dans des films extrêmement minces. Les calculs et les modèles résultants jettent un nouvel éclairage sur les propriétés électroniques et optiques prédites pertinentes et les processus dynamiques induits par la lumière. Par exemple, les scientifiques ont développé des modèles qui ont conduit à des principes de conception rationnels pour de meilleurs panneaux solaires et d'autres technologies de conversion de l'énergie solaire.

Cet article de synthèse fournit un guichet unique pour comprendre l'état de la science et met en évidence les défis informatiques à venir, comme la simulation d'un grand nombre d'atomes et de phénomènes qui traversent les échelles, telles que les interactions à l'échelle atomique qui influencent des zones beaucoup plus vastes.

Les scientifiques ont examiné les calculs de structure électronique des processus entraînés par la lumière dans les nanostructures organiques et semi-conductrices. Ils ont également examiné comment ces calculs ont amélioré notre compréhension des propriétés optiques et de la dynamique d'excitation des nanostructures. Dans la revue, ces nanostructures vont des nanocristaux appelés points quantiques à zéro dimensionnalité aux nanotubes et aux chaînes polymères isolées de semi-conducteurs organiques qui sont des matériaux quasi-unidimensionnels. La taille, forme, et la topologie de ces nanostructures contrôle leurs propriétés. La dimensionnalité définit le « confinement quantique » dans ces nanostructures et affecte la structure électronique et la « photophysique ».

Par exemple, la taille de la boîte quantique détermine le confinement de l'excitation électronique, c'est à dire., la bande interdite électronique dépend fortement de la taille de la boîte quantique. En outre, des facteurs allant de la chimie de surface au désordre structurel affectent les propriétés électroniques ainsi que la récupération de la lumière et le transport des porteurs dans les dispositifs de conversion de l'énergie solaire. Les scientifiques ont souligné comment la théorie, la modélisation, et la simulation peut compléter les expériences pour comprendre et exploiter pleinement les propriétés électroniques et structurelles. Néanmoins, les auteurs ont identifié des défis allant du nombre d'atomes ingérable par le calcul dans les nanostructures à grande échelle à la complexité et à la nature multi-échelle des phénomènes optiques importants qui doivent être surmontés.