Multiscale Molecular Dynamics Simulations of Enhanced Excitation Energy Transport in Organic Microcavities

Orgaaniset aurinkosähköratkaisut tarjoavat vaihtoehdon tavanomaisille piipohjaisille aurinkokennoille, jotka tällä hetkellä hallitsevat globaaleja aurinkosähkömarkkinoita. Huolimatta useista keskeisistä orgaanisten aurinkokennojen hyödyistä verrattuna epäorgaanisiin aurinkokennoihin, energian kuljetus orgaanisissa materiaaleissa on selvästi hitaampaa johtuen niiden rakenteellisesta epäjärjestyksestä. Tästä epäjärjestyksestä aiheutuen viritysten kantajat liikkuvat vierekkäisten molekyylipaikkojen välillä epäkoherenttien siirtymien avulla, mikä on tehotonta verrattuna elektronien ja aukkojen liikkeeseen epäorgaanisissa materiaaleissa, tehden orgaanisista aurinkokennoista huomattavasti epäorgaanisia tehottomampia. Ratkaisuna tähän on esitetty molekulaaristen viritysten sekoittamista optisten kaviteettien rajoitettujen valomoodien kanssa. Vahvan vuorovaikutuksen vallitessa nämä kaksi osatekijää hybridisoituvat polaritoneiksi kutsutuiksi kvasihiukkasiksi, joilla on sekä molekyyliviritysten että kaviteetin valomoodien ominaisuudet. Polaritonien ryhmänopeuden vuoksi niiden etenemisen pitäisi olla ballistista ja pitkän kantaman etenemistä. Kokeellisten tulosten mukaan polaritonien eteneminen on kuitenkin monimutkaisempaa, ja se voi olla joko ballistista tai diffuusiota riippuen valo-ainesysteemin parametreista. Saadaksemme atomitason tietoa tästä ilmiöstä hyödynnämme monitasoista molekyylidynamiikkamallia, jossa molekyylejä ja niiden kemiallista ympäristöä mallinnetaan käyttäen kvantti- ja molekyylimekaniikan yhdistelmää. Tässä väitöskirjassa keskitymme systemaattisesti tutkimaan viritysenergian kuljettamista orgaanisissa mikrokaviteeteissa. Simulaatioiden tulosten perusteella esitämme yleisen mekanismin kaviteetin tehostamalle kuljetukselle. Lisäksi tutkimme kuinka kuljetus muuttuu riippuen polaritonien dispersiosta ja kaviteetin laatukertoimesta. Esitämme ja testaamme myös käytännöllistä keinoa tehokkaaseen viritysenergian kuljetukseen fotokemiallisen reaktion avulla. Uskomme, että tässä väitöskirjassa esitetyt näkemykset tasoittavat tietä kohti molekyyli-kaviteettisysteemien rationaalista suunnittelua koherenttia eksitonikuljetusta varten.