Photoexcitation Processes in Oligomethine Cyanine Dyes for Dye-Sensitized Solar Cells—Synthesis and Computational Study
- 1. Ovidius University
- 2. University of Bucharest
- 3. Suez University
Description
We report density functional theory (DFT) calculations of three newly synthesized oligomethine cyanine-based dyes as potential TiO2-sensitizers in dye-sensitized solar cells. The three dyes have π-symmetry and the same acceptor side, terminating in the carboxylic anchor, but they differ through the π-bridge and the donor groups. We perform DFT and time-dependent DFT studies and present the electronic structure and optical properties of the dyes alone as well as adsorbed to the TiO2 nanocluster, to provide some predictions on the photovoltaic performance of the system. We analyze theoretically the factors that can influence the short circuit current and the open circuit voltage of the dye-sensitized solar cells. We examine the matching of the absorption spectra of the dye and dye-nanocluster system with the solar irradiation spectrum. We display the energy level diagrams and discuss the alignment between the excited state of the dyes and the conduction band edge of the oxide as well as between the redox level of the electrolyte and the ground state of the dyes. We determine the electron density of the key molecular orbitals and analyze comparatively the electron transfer from the dye to the semiconducting substrate. To put our findings in the right perspective we compare the results of our calculations with those obtained for a coumarin-based dye used in fabricating and testing actual devices, for which experimental data regarding the photovoltaic performance are available.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
نبلغ عن حسابات النظرية الوظيفية للكثافة (DFT) لثلاثة أصباغ قائمة على أوليجوميثين السيانين تم تصنيعها حديثًا كمحفزات محتملة لأكسيد التيتانيوم في الخلايا الشمسية المحسسة للصبغة. تحتوي الأصباغ الثلاثة على تماثل π ونفس جانب المتقبل، وتنتهي في المرساة الكربوكسيلية، لكنها تختلف من خلال جسر π والمجموعات المانحة. نقوم بإجراء دراسات DFT و DFT المعتمدة على الوقت ونقدم البنية الإلكترونية والخصائص البصرية للأصباغ وحدها بالإضافة إلى امتزازها إلى الكتلة النانوية TiO2، لتوفير بعض التنبؤات حول الأداء الكهروضوئي للنظام. نحلل نظريًا العوامل التي يمكن أن تؤثر على تيار الدائرة القصيرة وجهد الدائرة المفتوحة للخلايا الشمسية الحساسة للصبغة. ندرس مطابقة أطياف الامتصاص للصبغة ونظام الكتلة النانوية للصبغة مع طيف الإشعاع الشمسي. نعرض مخططات مستوى الطاقة ونناقش المحاذاة بين الحالة المستثارة للأصباغ وحافة نطاق التوصيل للأكسيد وكذلك بين مستوى الأكسدة المختزلة للكهارل والحالة الأرضية للأصباغ. نحدد كثافة الإلكترون للمدارات الجزيئية الرئيسية ونحلل نسبيًا نقل الإلكترون من الصبغة إلى الركيزة شبه الموصلة. لوضع النتائج التي توصلنا إليها في المنظور الصحيح، نقارن نتائج حساباتنا مع تلك التي تم الحصول عليها لصبغة أساسها الكومارين تستخدم في تصنيع واختبار الأجهزة الفعلية، والتي تتوفر لها بيانات تجريبية تتعلق بالأداء الكهروضوئي.Translated Description (French)
Nous rapportons des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) de trois colorants à base de cyanine oligométhine nouvellement synthétisés comme sensibilisateurs potentiels au TiO2 dans des cellules solaires sensibilisées aux colorants. Les trois colorants ont une symétrie π et le même côté accepteur, se terminant par l'ancrage carboxylique, mais ils diffèrent par le pont π et les groupes donneurs. Nous effectuons des études DFT et DFT dépendantes du temps et présentons la structure électronique et les propriétés optiques des colorants seuls ainsi qu'adsorbés sur le nanocluster de TiO2, pour fournir quelques prédictions sur les performances photovoltaïques du système. Nous analysons théoriquement les facteurs qui peuvent influencer le courant de court-circuit et la tension de circuit ouvert des cellules solaires sensibilisées aux colorants. Nous examinons la correspondance des spectres d'absorption du colorant et du système colorant-nanocluster avec le spectre d'irradiation solaire. Nous affichons les diagrammes de niveau d'énergie et discutons de l'alignement entre l'état excité des colorants et le bord de la bande de conduction de l'oxyde ainsi qu'entre le niveau redox de l'électrolyte et l'état fondamental des colorants. Nous déterminons la densité électronique des orbitales moléculaires clés et analysons comparativement le transfert d'électrons du colorant au substrat semi-conducteur. Pour mettre nos résultats dans la bonne perspective, nous comparons les résultats de nos calculs avec ceux obtenus pour un colorant à base de coumarine utilisé dans la fabrication et le test de dispositifs réels, pour lesquels des données expérimentales concernant les performances photovoltaïques sont disponibles.Translated Description (Spanish)
Presentamos los cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) de tres colorantes a base de oligometino cianina recién sintetizados como posibles sensibilizadores de Tío2 en células solares sensibilizadas con colorantes. Los tres colorantes tienen simetría π y el mismo lado aceptor, terminando en el anclaje carboxílico, pero difieren a través del puente π y los grupos donantes. Realizamos estudios de DFT y DFT dependientes del tiempo y presentamos la estructura electrónica y las propiedades ópticas de los colorantes solos y adsorbidos al nanocluster de TiO2, para proporcionar algunas predicciones sobre el rendimiento fotovoltaico del sistema. Analizamos teóricamente los factores que pueden influir en la corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto de las células solares sensibilizadas con colorante. Examinamos la coincidencia de los espectros de absorción del tinte y el sistema de tinte-nanocluster con el espectro de irradiación solar. Mostramos los diagramas de nivel de energía y discutimos la alineación entre el estado excitado de los colorantes y el borde de la banda de conducción del óxido, así como entre el nivel redox del electrolito y el estado fundamental de los colorantes. Determinamos la densidad electrónica de los orbitales moleculares clave y analizamos comparativamente la transferencia de electrones del colorante al sustrato semiconductor. Para poner nuestros hallazgos en la perspectiva correcta, comparamos los resultados de nuestros cálculos con los obtenidos para un tinte a base de cumarina utilizado en la fabricación y prueba de dispositivos reales, para los cuales se dispone de datos experimentales sobre el rendimiento fotovoltaico.Files
      
        pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (7.1 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:b7e951bff0d7e1049cb624e02156bd34 | 7.1 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- عمليات الاستثارة الضوئية في أصباغ أوليجوميثين السيانين للخلايا الشمسية المحسسة للصبغة - التوليف والدراسة الحسابية
- Translated title (French)
- Procédés de photoexcitation dans les colorants à l'oligométhine et à la cyanine pour les cellules solaires sensibilisées aux colorants - Synthèse et étude computationnelle
- Translated title (Spanish)
- Procesos de fotoexcitación en colorantes de oligometina y cianina para células solares sensibilizadas por colorantes: síntesis y estudio computacional
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3014323063
- DOI
- 10.3390/nano10040662
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1553203711
- https://openalex.org/W1755174698
- https://openalex.org/W1964995431
- https://openalex.org/W1966182479
- https://openalex.org/W1969115970
- https://openalex.org/W1970096300
- https://openalex.org/W1972196179
- https://openalex.org/W1972501006
- https://openalex.org/W1973118584
- https://openalex.org/W1976068374
- https://openalex.org/W1976775381
- https://openalex.org/W1978890358
- https://openalex.org/W1980216394
- https://openalex.org/W1980769421
- https://openalex.org/W1984576643
- https://openalex.org/W1985591406
- https://openalex.org/W1989084856
- https://openalex.org/W1991980035
- https://openalex.org/W1997151511
- https://openalex.org/W2005701554
- https://openalex.org/W2006244619
- https://openalex.org/W2006681399
- https://openalex.org/W2017588499
- https://openalex.org/W2023271753
- https://openalex.org/W2024122111
- https://openalex.org/W2030976617
- https://openalex.org/W2032085543
- https://openalex.org/W2039035988
- https://openalex.org/W2040599106
- https://openalex.org/W2040678384
- https://openalex.org/W2041015665
- https://openalex.org/W2044106917
- https://openalex.org/W2047573257
- https://openalex.org/W2047603692
- https://openalex.org/W2050878785
- https://openalex.org/W2053782439
- https://openalex.org/W2053821708
- https://openalex.org/W2056032039
- https://openalex.org/W2057032336
- https://openalex.org/W2058848030
- https://openalex.org/W2069197437
- https://openalex.org/W2074666087
- https://openalex.org/W2081441400
- https://openalex.org/W2082458389
- https://openalex.org/W2082536083
- https://openalex.org/W2084607383
- https://openalex.org/W2085722038
- https://openalex.org/W2086079316
- https://openalex.org/W2087656054
- https://openalex.org/W2091109124
- https://openalex.org/W2095062688
- https://openalex.org/W2103608025
- https://openalex.org/W2110438191
- https://openalex.org/W2116327492
- https://openalex.org/W2121304740
- https://openalex.org/W2129579634
- https://openalex.org/W2133285882
- https://openalex.org/W2141055746
- https://openalex.org/W2141311812
- https://openalex.org/W2143981217
- https://openalex.org/W2172033520
- https://openalex.org/W2193167719
- https://openalex.org/W2230728100
- https://openalex.org/W2306756201
- https://openalex.org/W2314467293
- https://openalex.org/W2321862992
- https://openalex.org/W2331727781
- https://openalex.org/W2344010167
- https://openalex.org/W2529922374
- https://openalex.org/W2561839737
- https://openalex.org/W2566002380
- https://openalex.org/W2610343300
- https://openalex.org/W2724397243
- https://openalex.org/W2742762288
- https://openalex.org/W2898002860
- https://openalex.org/W2909261225
- https://openalex.org/W2910305373
- https://openalex.org/W2912333768
- https://openalex.org/W2914996903
- https://openalex.org/W2919960282
- https://openalex.org/W2927464422
- https://openalex.org/W2953981647
- https://openalex.org/W2958914192
- https://openalex.org/W4241456496
- https://openalex.org/W606953306