Om de volgende generatie zonnepanelen en andere door licht aangedreven apparaten te creëren, wetenschappers moeten modelleren hoe complexe interacties plaatsvinden. Modelleren over verschillende schalen, van individuele atomen tot zeer grote systemen met duizenden atomen, geeft de nodige inzichten. In een overzichtsartikel in Chemical Reviews, een team van wetenschappers beoordeelde de stand van de techniek voor berekeningen die werden gebruikt om elektronische toestanden in buitengewoon dunne films te modelleren. De berekeningen en resulterende modellen werpen nieuw licht op relevante voorspelde elektronische en optische eigenschappen en lichtgestuurde dynamische processen. Bijvoorbeeld, wetenschappers ontwikkelden modellen die leidden tot rationele ontwerpprincipes voor betere zonnepanelen en andere technologieën voor het omzetten van zonne-energie.

Dit overzichtsartikel biedt een one-stop-shop voor het begrijpen van de stand van de wetenschap en belicht komende computationele uitdagingen, zoals het simuleren van grote aantallen atomen en fenomenen die schaaloverschrijdend zijn, zoals interacties op atomaire schaal die veel grotere gebieden beïnvloeden.

Wetenschappers beoordeelden elektronische structuurberekeningen van door licht aangedreven processen in organische en halfgeleider nanostructuren. Ze hebben ook beoordeeld hoe deze berekeningen ons begrip van de optische eigenschappen en excitatiedynamiek van de nanostructuren hebben verbeterd. In de recensie, deze nanostructuren variëren van nanokristallen die kwantumdots worden genoemd zonder dimensionaliteit tot nanobuisjes en geïsoleerde polymeerketens van organische halfgeleiders die quasi-eendimensionale materialen zijn. De grootte, vorm, en topologie van deze nanostructuren bepalen hun eigenschappen. De dimensionaliteit definieert de "kwantumopsluiting" in deze nanostructuren en beïnvloedt de elektronische structuur en "fotofysica".

Bijvoorbeeld, de grootte van de kwantumstip bepaalt de opsluiting van de elektronische excitatie, d.w.z., de elektronische bandgap hangt sterk af van de grootte van de kwantumdot. In aanvulling, factoren variërend van oppervlaktechemie tot structurele wanorde beïnvloeden elektronische eigenschappen evenals lichtoogst en transport van dragers in apparaten voor het omzetten van zonne-energie. De wetenschappers benadrukten hoe theorie, modellering, en simulatie kunnen experimenten aanvullen om elektronische en structurele eigenschappen volledig te begrijpen en te benutten. Hoe dan ook, de auteurs identificeerden uitdagingen, variërend van het computationeel onhandelbare aantal atomen in grootschalige nanostructuren tot de complexiteit en multischaalaard van belangrijke optische fenomenen die moeten worden overwonnen.