Gelecek nesil solar panellerin ve ışık ile çalışan cihazların yapılabilmesi için, karmaşık etkileşimlerin nasıl meydana geldiğinin anlaşılması oldukça önemli. Yalnızca tekil atomların bulunduğu sistemlerden binlerce atomun bulunduğu oldukça büyük sistemlere kadar birçok değişik ölçekte modellemeler yapmak, ihtiyaç duyulan içgörünün elde edilmesini sağlıyor. Chemical Reviews’de yayımlanan yeni bir makalede de oldukça ince tabakaların içerisindeki elektronik fazların modellemesiyle hesaplamaların gelişmişliği değerlendirildi. Hesaplamalar ve sonucunda ortaya çıkan modeller, ilgili elektronik ve optik özelliklerin yanı sıra ışık ile çalışan dinamik süreçleri de aydınlatıyor. Örneğin; bilim insanlarının geliştirdiği modeller, daha iyi solar paneller ve diğer solar enerji dönüştürme teknolojileri için rasyonel tasarım ilkelerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır.

Bir gözden geçirme makalesi (review article) olan bu çalışma, bilimin şu andaki durumunun ve sonradan karşılaşılabilecek hesaplama zorluklarının anlaşılabilmesi için yararlanılabilecek bir kaynak konumundadır. Çünkü bu makale içerisinde, çok sayıda atomun ve çok daha büyük alanları etkileyebilen atomik ölçekteki etkileşimlerin simülasyonları bulunuyor.

Bilim insanları, organik ve yarı-iletken nano yapılardaki ışıkla çalışan süreçlerin elektronik yapı hesaplamalarını gözden geçirdiler. Bilim insanları ayrıca bu hesaplamaların, nano-yapıların optik özelliklerini ve uyarım dinamiklerini anlaşıyımızı nasıl daha ileri götürdüğünü incelediler. Araştırma içerisindeki nano-yapılar; sıfır boyutlulukta olan ve nicem noktaları olarak adlandırılan nano-kristallerden, nanoborucuklar ve organik yarı-iletkenlerin polimer zincirlerine kadar geniş bir yelpazeye sahip. Bu nano-yapıların boyut, yapı ve topolojileri, sahip oldukları özellikleri etkiliyor.

Boyutluluk, bu nano-yapılar içerisindeki 'kuantum kısıtlamayı’ (quantum confinement) tanımlıyor ve elektronik yapı ile fotofizikleri (photophysics) etkiliyor. Örneğin nicem noktasının boyutu, elektronik uyarımın sınırlamasını ya da kısıtlamasını belirliyor. Başka bir deyişle  elektronik kuşak boşluğu, nicem noktasının boyutuyla ciddi şekilde bağlantılı. Ayrıca buna ek olarak, yüzey kimyasından yapısal düzensizliğe kadar geniş bir yelpazedeki faktörler, elektronik özelliklerin yanı sıra solar enerji dönüşüm cihazlarında ışığın toplanması ve taşınmasını da etkiliyor. Bilim insanları yaptıkları bu çalışma ile teori, modelleme ve simülasyonun, deneyleri bütünüyle anlama, elektronikten ve yapısal özelliklerden faydalanma noktasında nasıl tamamlayıcı etki yaptığını vurguluyorlar.

Fakat bilim insanları, büyük ölçekteki nano-yapıların sayısal olarak yönetilemez oluşundan, karmaşıklık ve önemli optik olayların çok boyutlu doğasına kadar birçok üstesinden gelinmesi gereken zorluğu da tanımlıyorlar.

---

Kaynak: Modeling Sunlight Harvesting in Nanostructures, US Department of Energy, Retrieved from http://science.energy.gov/bes/highlights/2016/bes-2016-07-i/

İlgili makale: Svetlana Kilina, Dmitri Kilin, Sergei Tretiak. Light-Driven and Phonon-Assisted Dynamics in Organic and Semiconductor Nanostructures. Chemical Reviews, 2015; 115 (12): 5929 DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00012

---