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Driving force and nonequilibrium vibronic dynamics in charge separation of strongly bound electron–hole pairs

Somoza, Alejandro D. und Lorenzoni, Nicola und Lim, James und Huelga, Susana F. und Plenio, Martin B. (2023) Driving force and nonequilibrium vibronic dynamics in charge separation of strongly bound electron–hole pairs. Communications Physics, 6 (65). Springer Nature. doi: 10.1038/s42005-023-01179-z. ISSN 2399-3650.

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Kurzfassung

Electron-hole pairs in organic photovoltaics efficiently dissociate although their Coulomb-binding energy exceeds thermal energy at room temperature. The vibronic coupling of electronic states to structured vibrational environments containing multiple underdamped modes is thought to assist charge separation. However, non-perturbative simulations of such large, spatially extended, electronic-vibrational (vibronic) systems remain an unmet challenge which current methods bypass by considering effective one-dimensional Coulomb potentials or unstructured environments where the effect of underdamped modes is ignored. Here we address this challenge with a non-perturbative simulation tool and investigate the charge separation dynamics in one, two and three-dimensional donor-acceptor networks to identify under what conditions underdamped vibrational motion induces efficient long-range charge separation. The resulting comprehensive picture of ultrafast charge separation differentiates electronic or vibronic couplings mechanisms for a wide range of driving forces and identifies the role of entropic effects in extended systems. This provides a toolbox for the design of efficient charge separation pathways in artificial nanostructures.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/194703/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Driving force and nonequilibrium vibronic dynamics in charge separation of strongly bound electron–hole pairs
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Somoza, Alejandro D.alejandro.somoza (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4973-8052NICHT SPEZIFIZIERT
Lorenzoni, NicolaInstitute of Theoretical Physics and IQST, Universität Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, D-89069 Ulm, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-1372-1283NICHT SPEZIFIZIERT
Lim, JamesNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Huelga, Susana F.Institute of Theoretical Physics and IQST, Universität Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, D-89069 Ulm, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-1277-8154NICHT SPEZIFIZIERT
Plenio, Martin B.martin.plenio (at) uni-ulm.dehttps://orcid.org/0000-0003-4238-8843NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:8 April 2023
Erschienen in:Communications Physics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:6
DOI:10.1038/s42005-023-01179-z
Verlag:Springer Nature
ISSN:2399-3650
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Quantendynamik, Offene Quantensysteme, Organische Photovoltaik
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E VS - Verbrennungssysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Materialen für die elektrochemische Energiespeicherung, E - Materialen für chemische Energieträger, E - Solare Brennstoffe
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Somoza, Alejandro
Hinterlegt am:27 Apr 2023 16:15
Letzte Änderung:27 Apr 2023 16:15

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