Modelos moleculares para fotocélulas orgânicas baseadas em hidrocarbonetos poli-aromáticos

Autor: Rafael Bicudo Ribeiro
Přispěvatelé: Marcio Teixeira do Nascimento Varella, Cedric Rocha Leão, Demétrio Antonio da Silva Filho
Rok vydání: 2021
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
DOI: 10.11606/d.43.2021.tde-24092021-163310
Popis: No contexto de células solares orgânicas, o presente trabalho investiga as propriedades do aceitador eletrônico DTP-IC-4Ph [Adv. Energy Mater. 9, 1803976 (2019)], que por meio da incorporação de moléculas pi-conjugadas em estruturas do tipo FREA (Fused-Ring Electron Acceptors) resulta em dispositivos com baixo custo de produção e eficiências de conversão (PCE) promissoras. A caracterização foi realizada a nível LC-TD-DFTB (Long-range Corrected Time-Dependent Density Functional based Tight-Binding model) junto ao conjunto de parâmetros OB2 (Parametrization for Organic and Biological Molecules) com adição do átomo de enxofre. Os espectros de absorção são determinados a partir da média sobre um conjunto de coordenadas nucleares na região de Franck-Condon, que reproduz qualitativamente os resultados experimentais mas se mostra sensível a descrição do ambiente. O monômero do doador PBDB-T reafirma os resultados obtidos para o aceitador com o acréscimo de que a ausência dos demais oligômeros impacta na energia dos orbitais moleculares. Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs) também foram estudados, possibilitando a validação da metodologia frente ao formalismo da DFT (Teoria do Funcional de Densidade) com o funcional de correlação e troca wB97X-D assim como a determinação de grandezas físicas como constantes dielétricas, energias de ligação do éxciton e energias intramoleculares de reorganização. A compatibilidade entre os níveis de teoria é evidenciada comparando geometrias e espectros de absorção, e é confirmada pela baixa sensibilidade dos HPAs frente a escolha da base atômica, de tal forma que a metodologia LC-TD-DFTB se mostra uma ferramenta viável e computacionalmente favorável para a caracterização de sistemas gasosos, dependendo de correções para retratar ambientes orgânicos. In the context of organic solar cells, the present work investigate properties of the electron acceptor DTP-IC-4Ph [Adv. Energy Mater. 9, 1803976 (2019)], which through the addition of pi-conjugated molecules in the backbone of FREA (Fused-Ring Electron Acceptors) structures results in devices with low production cost and promising conversion efficiencies (PCE). The acceptor characterization was performed at the LC-TD-DFTB (Long-range Corrected Time-Dependent Density Functional based Tight-Binding model) level, together with the OB2 parameter set (Parametrization of Organic and Biological Molecules) with addition of sulfur atom. Absorption spectra are determined from an average over a set of nuclear coordinates in the Franck-Condon region that qualitatively reproduces the experimental results but shows high sensitivity regarding the environment description. The PBDB-T donor monomer reaffirms the results obtained for the acceptor with the addition that the absence of other oligomers impacts the molecular orbitals energies. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were also studied, enabling the methodology validation against DFT (Density Functional Theory) formalism with the wB97X-D correlation and exchange functional as well as the determination of physical quantities as dielectrics constants, exciton binding energies and intramolecular reorganization energies. The compatibility between both levels of theory is evidenced by comparing geometries and absorption spectra, being confirmed by the low sensitivity of HPAs towards the choice of atomic basis, in such a way that the LC-TD-DFTB methodology proves to be a feasible and computationally favorable tool for the characterization of gas phase systems, depending on corrections to properly portray organic environments.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: