Studies on nonlocal excited-state dynamics in semiconductors via novel computational-chemistry techniques

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14591
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Kyoto University (2023); Waseda University (2021-2022)
• Principal Investigator: Uratani Hiroki 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (50897296)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 励起状態 / 半導体 / ダイナミクス / 量子化学 / 計算化学

Outline of Final Research Achievements

Detailed analyses of photoexcited-state dynamics of chemical species such as molecules and solids are important from both fundamental and practical points of view. Quantum-chemitry-based computer simulations are powerful tools, but their computational cost has limited their applicability. In this study, we propose a novel approach called patchwork approximation, which reduces the computational cost by using the spatial locality of electronic hamiltonian. The proposed approach enabled computer simulations of photoexcited-state dynamics of large systems withing a reasonable computational cost. We applied the proposed approach to organic solar cells to analyze the detail of the charge separation process, which generates the plus and minus charges from the photoexcited state.

Free Research Field

理論化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

太陽電池や光触媒に代表される光エネルギー利用は人類にとって重要な課題であるものの、エネルギーの利用効率をはじめ、解決すべき課題は多い。これらの課題を解決するには、光照射下における物質の振舞いの詳細な観察と理解に基づく、合理的な物質設計が必要不可欠である。本研究により、実際の太陽電池や光触媒等に近いモデルを用いた計算機シミュレーションが現実的な時間で実行できるようになった。これを応用することで、光エネルギーを電力や化学エネルギーに変換する過程を、これまで以上にミクロな視点で理解することが可能となる。これにより、効率的な光エネルギー利用に向けた物質設計の指針を提供できるものと期待される。