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

Abstract

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.

Organic photovoltaics provide an alternative to conventional silicon-based solar cells, which currently dominate the global photovoltaics market. Despite several critical advantages of organic solar cells over their inorganic counterparts, the energy transport in organic materials is severely impeded by the structural disorder, which makes the excitation carriers move by means of incoherent hops between neighbouring molecular sites. This process is inefficient in comparison with the motion of electrons and holes in inorganic materials, resulting in significantly lower efficiencies of the organic solar cells. To address this challenge, mixing molecular excitations with confined light modes of optical cavities has been proposed. In the limit of strong interaction, these two constituents hybridize into quasiparticles called polaritons, which inherit properties of both molecular excitons and cavity light modes. Owing to the group velocity of polaritons, their propagation should be ballistic and long-range. However, according to experiments, the transport of polaritons is more intricate and can be either ballistic or diffusive depending on the parameters of the light-matter system. To bring atomistic insights into this phenomenon, we utilise a multiscale molecular dynamics model based on a hybrid Quantum Mechanics/Molecular Mechanics description of the molecules and their chemical environment. In this dissertation, we focus on a systematic investigation of the excitation energy transport in organic microcavities. The results of the performed simulations allow us to propose a general mechanism of such a cavity-enhanced transport. Furthermore, we investigate how the transport is modified along the polariton dispersion and with a change in the cavity quality factor. We also suggest and test a practical means of efficient excitation energy transport by a photochemical reaction. We believe that the insights provided in the dissertation, pave the way towards rational design of molecule-cavity systems for coherent exciton transport.