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Nas células solares orgânicas, os polímeros à base de carbono convertem a luz em cargas que são passadas para um receptor. Este tipo de material tem um grande potencial, mas para desvendá-lo é necessário um melhor entendimento da forma como as cargas são produzidas e transportadas ao longo dos polímeros. Cientistas da Universidade de Groningen já calcularam como isso acontece combinando simulações de dinâmica molecular com cálculos quânticos e forneceram insights teóricos para interpretar dados experimentais. Os resultados foram publicados em 15 de março no Jornal de Química Física C.
As células solares orgânicas são mais finas do que as células clássicas à base de silício e são flexíveis e provavelmente mais fáceis de fabricar. Para melhorar sua eficiência, é importante entender como as cargas viajam através do filme de polímero. “Esses filmes são formados por um doador de elétrons e um aceptor de elétrons”, explica Elisa Palacino-González, pesquisadora de pós-doutorado do grupo Teoria da Matéria Condensada do Instituto Zernike de Materiais Avançados da Universidade de Groningen (Holanda). ‘As cargas são deslocalizadas ao longo das cadeias de polímero emaranhadas e transferidas do doador para o receptor em uma escala de tempo inferior a 100 femtossegundos. Então, precisamos de estudos teóricos e simulações para entender esse processo.’
transferência de carga
O sistema que Palacino-González estudou é composto pelo semicondutor plástico P3HT como doador e PCBM, um polímero com uma ‘buckyball’ C60, como aceptor. “Queríamos saber como as cargas são conduzidas pelo material para entender como esse material capta e transporta energia. Pois se entendermos isso, pode ser possível controlá-lo.’ Estudos experimentais do material fornecem algumas informações, mas apenas em processos a granel. “Portanto, combinamos simulações de dinâmica molecular para determinar o movimento das moléculas no material com cálculos de química quântica para modelar atomisticamente o polímero doador, usando a teoria funcional de densidade dependente do tempo.”
Esses estudos teóricos foram realizados usando um polímero doador composto por doze monômeros. ‘Focamos principalmente no doador para estudar como ocorrem as excitações no material.’ As simulações de dinâmica molecular mostram o movimento no estado fundamental devido a efeitos térmicos. Palacino-González calculou isso para um período de 12,5 picossegundos, o que foi suficiente para estudar a transferência de carga de femtossegundos.
experimentos
“E o próximo passo foi sobrepor o mundo quântico a essas moléculas”, continua Palacino-González. Para fazer isso, ela começou com dímeros. ‘Dois monômeros um ao lado do outro na cadeia polimérica vão interagir, eles ‘conversam’ entre si. Isso causa uma divisão nos níveis de energia da dupla’, explica Palacino-González. Ela criou uma ‘impressão digital’ da energia do dímero na forma de um hamiltoniano, uma matriz que contém todas as informações sobre um sistema molecular. ‘Quando dois monômeros estão alinhados de forma paralela, os dois são acoplados e conversam entre si. Mas quando estão em ângulos de 90 graus, a interação é mínima.’
Tal ângulo forma uma dobra na molécula, o que dificulta a transferência de energia ao longo da cadeia polimérica. “Uma análise estatística do material simulado, composto por 845 polímeros, mostra que cerca de metade deles está perfeitamente alinhada, enquanto a outra metade tem principalmente uma ou duas torções”, diz Palacino-González. A partir dos dímeros, ela calculou o hamiltoniano de 12 dímeros (composto por 6 dímeros). Seus cálculos incluíram um número variável de dobras nos polímeros doadores de 12 meros. ‘Esses estudos mostram a distribuição de energia ao longo dos polímeros e nos fornecem um modelo realista para caracterizar o efeito do ambiente criado pelos materiais nos sinais espectrais das misturas de polímeros aceitadores, que é diretamente comparável com os experimentos atuais com esses materiais.’
descrição realista
Embora o modelo seja limitado, pois permite apenas que os monômeros interajam com seus vizinhos diretos, os resultados fornecem informações importantes sobre os resultados experimentais. ‘Nossos cálculos são de primeiros princípios e esta é a primeira vez que tal análise, incluindo a descrição realista do ambiente de mistura, foi feita para este material. Isso significa que agora podemos ajudar a explicar os espectros gerados a partir de estudos experimentais com misturas P3HT/PCBM. Por exemplo, podemos mostrar como a distribuição de tamanho altera os espectros que são gerados pela excitação da luz do laser’, diz Palacino-González. “Agora podemos observar o processo de transferência de carga ultrarrápida, do doador ao aceitador. Isso inspirará estudos teóricos sobre energia fotovoltaica orgânica e ajudará os experimentalistas a entender seus resultados.’
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