Theoretische Beschreibung einer neuartigen Farbstoffsolarzelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein grundlegendes Verständnis der Prozesse in organischen/hybriden optoelektronischen Bauelementen kann die Tür zu bislang nicht realisierten Technologien öffnen. Ein solches Verständnis erfordert die Weiterentwicklung von Methoden und Modellen im Grenzbereich zwischen theoretischer Chemie und theoretischer Physik, welche in der Lage sind, supramolekulare Systeme in atomarer Auflösung zu beschreiben. Im vorliegenden Projekt sollte dies anhand von Fragen untersucht werden, die zum Verständnis von sogenannten Donor-Akzeptor-Farbstoffsolarzellen beitragen können. Diese versprechen eine höhere Effizienz als herkömmliche Farbstoffsolarzellen, etwa vom Gratzel-Typ. Die zu berechnenden Elementarprozesse - Grundlage auch für mögliches “rationales Design” von Farbstoffsolarzellen, sind u.a. Anregung von Farbstoffmolekülen und aus ihnen gebildeter supramolekulare Aggregate, der Anregungsenergietransfer sowie intermolekularer und heterogener Elektronentransfer (zu einer Oberfläche). Mithilfe stationärer, first principles und auch semiempirischer Elektronenstrukturmethoden wurden im Projekt zunächst die optoelektronischen Eigenschaften ausgewählter Farbstoffmoleküle und daraus gebildeter Aggregate charakterisiert. Als “Nebenprodukt” lieferten diese Rechnungen Parameter für die Erstellung von Hamiltonoperatoren für erweiterte Frenkel-Exziton- oder vibronic coupling Modelle. Weiter wurden mithilfe klassisch-dynamischer (molecular dynamics, MD), gemischt quanten-klassischer (nichtadiabatische surface hopping (SH)) Dynamik sowie voll quantenmechanischer, nicht-adiabatischer Dynamik (durch numerische Lösung mehrdimensionaler, Mehrzustands-Schrödingergleichungen) die genannten Elementarprozesse untersucht. Speziell wurden folgende Fragen angegangen und für ausgewählte Beispiele auch beantwortet: Welche Anregungstypen (z.B. lokale oder Ladungstransfer-Anregungen) charakterisieren die unterschiedlichen Farbstoffmoleküle? Wie wirken sich die Bildung von Farbstoffaggregaten, die intra- und intermolekulare (Kern-)Dynamik, Temperatur- und Umgebungseffekte auf die optoelektronischen Spektren aus? Wie wirken sich diese “Umgebungseffekte” auf die Lokalisierung von exzitonischen oder Ladungstransferzuständen in reinen Farbstoffaggregaten oder in Donor-Akzeptor-Komplexen aus? Welche nicht-adiabatischen (v.a. strahlungslosen) Übergänge spielen in den genannten Aggregaten eine Rolle und auf welchen Zeitskalen finden sie statt? Diese Fragen spielen nicht nur für Anwendungen des “light harvesting” und der Energiekonversion in Solarzellen eine Rolle, sondern haben auch, wie sich im Projekt gezeigt hat, unmittelbaren Einfluss auf die molekulare Photochemie an Grenzflächen - mit möglichen Auswirkungen auf die Photo- oder Photoelektrokatalyse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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All-DFTB Approach to the Parametrization of the System-Bath Hamiltonian Describing Exciton-Vibrational Dynamics of Molecular Assemblies. Journal of Chemical Theory and Computation, 14(10), 5001-5010.
Plötz, Per-Arno; Megow, Jörg; Niehaus, Thomas & Kühn, Oliver
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Nonadiabatic quantum dynamics of the coherent excited state intramolecular proton transfer of 10-hydroxybenzo[h]quinoline. Photochemical & Photobiological Sciences, 20(11), 1455-1473.
Picconi, David
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Quantum dynamics of the photoinduced charge separation in a symmetric donor–acceptor–donor triad: The role of vibronic couplings, symmetry and temperature. The Journal of Chemical Physics, 156(18).
Picconi, David
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Exciton States of Azobenzene Aggregates: A First‐Principles Study. Advanced Theory and Simulations, 6(5).
Titov, Evgenii & Beqiraj, Alkit
