全溶剂化染料敏化TiO2光阳极中的光致电子注入

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染料敏化太阳能电池(DSSC)和染料敏化光电化学电池(DSPECs)是近年来太阳能转换领域的研究热点。为了发挥这些器件的潜力,应该更清楚地了解它们的化学稳定性和效率。由于效率与光诱导电荷分离和电荷复合的关键过程密切相关,分子的能级和界面的能级需要最佳匹配。

计算研究提供了对这些基本过程的深入研究,并提出了设计原则,但考虑到系统的复杂性,必须在精度和计算成本之间找到一个很好的折衷方案。莱顿大学和阿姆斯特丹大学的研究人员使用了基于DFTB和Extended Hückel方法模拟光致电荷分离和电子从有机染料注入TiO2电极。

用SCC-DFTB(ti-org-0-1)分子动力学模拟了完全溶剂化染料敏化光阳极系统(如图),研究了核动力学和显式溶剂化对光诱导电子注入过程的影响。研究了不同扩芯萘二酰亚胺(NDI)基染料。对于可靠的HOMO和LUMO能量,利用ADF(B3LYP-D3-BJ/DZP,COSMO),使用delta-SCF和TDDFT计算,对Extended Hückel哈密顿参数进行了优化。用该方法计算的NDI基染料的氧化还原电位与实验值吻合较好,可用于合成未知物种。

核动力学和轨道取样,对描述注入过程很关键,而显式溶剂化对分子动力学过程中探索正确的构象空间非常重要。

参考文献:

J. P. Menzel, A. Papadopoulos, J. Belić, H. J. M. de Groot, L. Visscher, F. Buda, Photoinduced Electron Injection in a Fully Solvated Dye-Sensitized Photoanode: A Dynamical Semiempirical Study, J. Phys. Chem. C 2020, 124, 51, 27965–27976.

 
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