Level alignment, charge transfer, and optical absorption of organic photovoltaics using LCAO-TDDFT-k-ω

Abstract

Las celdas solares basadas en uniones pn de silicio han alcanzado sus límites teóricos de eficiencia. Por esta razón, materiales alternativos como los fotovoltaicos orgánicos (OPVs) resultan de interés, ya que prometen celdas solares más eficientes, ecológicas y económicas. Este proyecto contribuye al diseño computacional de OPVs y a la comprensión del proceso excitónico donador-aceptor mediante el modelado de sus espectros de absorción óptica. Se aplicó una combinación lineal de orbitales atómicos altamente eficiente dentro de la teoría del funcional de densidad dependiente del tiempo en el espacio recíproco y dominios de frecuencia (LCAO-TDDFT-k-ω) que, comparado con los métodos DFT y G0W0-BSE, permitió entender el proceso excitónico para sistemas macromoleculares mejorando el rendimiento computacional. Así, LCAO-TDDFT-k-ω ofreció la posibilidad de describir con precisión la absorción óptica y la alineación de niveles para OPVs. En esta investigación, se escogió la clorofila de tipo a y b como sistema donador por sus orbitales π-deslocalizados y el átomo central de magnesio que exhibe una transferencia de carga eficiente. Para el aceptor, se utilizaron nanotubos de carbono de pared simple (SWCNTs), que presentan propiedades como bandas ajustables y alta absorbancia óptica. El proyecto identificó exitosamente que el candidato OPV formado por Chla/b@SWCNT(n, m) era un sistema estable, determinó la quiralidad óptima de los SWCNTs que reproducían los mejores espectros de absorción y desarrolló una metodología dentro del marco LCAO-TDDFT-k-ω para obtener espectros de absorción óptica para heterouniones. El proyecto también analizó diagramas de densidad excitónica para evaluar la eficiencia de separación de carga entre huecos y electrones en varias combinaciones donador-aceptor. Al estudiar la alineación de niveles, la transferencia de carga y la absorción óptica de estos complejos sistemas OPV donador/aceptor, el objetivo fue proporcionar los medios para modelar las propiedades ópticas de las heterouniones.