Mekanismer för laddningsöverföringsdynamik i material för grön energi

Huvudsökande: Biplab Sanyal, avdelningen för materialteori
Projekttitel: Mekanismer för laddningsöverföringsdynamik i material för grön energi
Beviljade medel: 1 125 000 kronor​
Finansiär: Nätverksbidrag Swedish Research Links inom utvecklingsforskning från Vetenskapsrådet
Samarbetsland: Indien

Tillgången på energi har, på grund av ständigt ökande befolkning och industriell tillväxt, blivit en stor fråga i det moderna samhället. Detta trots att det på jorden finns stora tillgångar av olja, naturgas och kol, då dessa fossila energislag bidrar till miljöförstöring både vid utvinning och användning. Vi har samtidigt tillgång till enorma mängder energi från solen, tillräckligt för alla dagens behov. Här är den fundamentala frågeställningen hur man ska ta till vara energin på ett effektivt sätt. Man utforskar idag fotokatalytiska och fotovoltaiska material för att utveckla solceller, där komplicerade processer för laddningsöverföring spelar en avgörande roll. För att förbättra materialen är det extremt viktigt att förstå dynamiken hos dessa processer, och vilka förhållanden som är gynnsamma för att konvertera solenergi till elektrisk och kemisk energi. Denna förståelse måsta komma från en fundamental nivå, där dynamiken hos elektroner och joner beskrivs kvantmekaniskt.

Vi avser här utveckla en metod som ger möjligheten att analysera laddningsdynamiken via olika kemiska processer. Metoden kommer vara baserad på tidsberoende täthetsfunktionalteori och icke adiabatisk molekyldynamik, där elektroner och joners dynamik är kopplade. Täthetsfunktionalteori, vars utveckling gav 1998 års Nobelpris i kemi till Walter Kohn, har visat sig vara en extremt kraftfull metod för att angripa många problem inom fysik, kemi och biologi. Vi avser använda våra metoder för att studera laddningsöverföring genom organiska/inorganiska strukturer, t.ex. organometalliska molekyler på TiO2 ytor. Vi kommer också studera nya 2D material, t.ex. Grafen och MoS2 för att avgöra om de är lämpliga för tillämpningar inom solenergi. Upptäckten av Grafen blev tilldelat 2010 års Nobelpris i fysik, för sina enastående egenskaper. Vi kommer studera om en kombination av metallisk Grafen och halvledande MoS2 kan blockera rekombination av elektroner och hål, något som krävs för effektiv konvertering av solenergi. Resultatet av projektet kommer bidra starkt till den fundamentala förståelsen i laddningsöverförings processer inom många teknologiska tillämpningar, och kommer underlätta för effektivt användande av solenergi i framtiden.