Cấu trúc điện tử và tính chất quang lý của một số phân tử hữu cơ tiềm năng cho pin mặt trời hữu cơ

Journal of Molecular Modeling - Tập 29 - Trang 1-10 - 2023
Kübra Karaoğlu Uzun1, Serkan Sayın2, Uğur Çevik1
1Physics/Faculty of Science, Karadeniz Technical Univerity, Trabzon, Turkey
2Environmental/Enginneing Faculty, Giresun University, Giresun, Turkey

Tóm tắt

Ba hợp chất bán dẫn hữu cơ mới (Hình 1), trong đó phân tử (a) và phân tử (c) có cùng đơn vị cánh (b) và (c) có cùng đơn vị lõi, đã được báo cáo. Do đó, ảnh hưởng của các đơn vị cánh lên các tham số hiệu suất thiết bị pin mặt trời như các tính chất quang điện, quang học phi tuyến (NLO), tính chất điện tử và quỹ đạo liên kết tự nhiên (NBO) đã được tính toán nhằm chứng minh mối quan hệ giữa cấu trúc phân tử và tính chất. Tất cả các phân tử được nghiên cứu đều có tiềm năng trở thành vật liệu hứa hẹn cho các ứng dụng quang điện, nhưng phân tử (c) có thể là ứng viên xuất sắc cho pin mặt trời hữu cơ hiệu suất cao với khoảng cách năng lượng nhỏ, ΔGreg thấp nhất, Voc cao nhất và giá trị LHE cao. Theo tất cả các kết quả này, có thể thấy rằng các đơn vị cánh của các phân tử ảnh hưởng đến cả các tính chất quang điện và tính chất NLO nhiều hơn so với các đơn vị lõi. Các tính toán lý thuyết này được kỳ vọng sẽ thu được các chiến lược mới để tổng hợp các vật liệu hiệu quả cho các thiết bị pin mặt trời hữu cơ. Các mô phỏng lý thuyết mật độ (DFT) và lý thuyết mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT) cho các tham số hiệu suất thiết bị pin mặt trời, quang học phi tuyến, và phân tích liên kết tự nhiên đã được thực hiện bằng phần mềm Gaussian 09w. Các tính chất trạng thái cơ bản của các phân tử đã được nghiên cứu với chức năng hỗn hợp của Beckethree–Lee–Yang–Parr (B3LYP), và các tính chất trạng thái kích thích đã được tính toán bằng CAMB3LYP, và các tính toán DFT của chúng tôi được thực hiện sử dụng cơ sở 6-31++G(d,p) trên các hình học đã được tối ưu hoàn toàn.

Từ khóa

#bán dẫn hữu cơ #pin mặt trời hữu cơ #tính chất quang điện #quang học phi tuyến #lý thuyết mật độ

Tài liệu tham khảo

Shirakawa H, Louis EJ, MacDiarmid AG, Chiang CK, Heeger AJ (1977) Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH)x. J Chem Soc Chem Commun 11(4):578–579 Rasmussen SC (2011) Electrically conducting plastics: revising the history of conjugated organic polymers. Am Chem Soc 10:147–163 Arshad M, Arshad S, Haq HU, Janjhi FA, Khan FA, Tariq MA, Hassan T, Mehboob MY (2023) In Silico modeling and exploration of new acceptor molecules with enhanced power conversion efficiency for high-performance organic solar cell applications. J Solid State Chem 323(124018):1–8 Iqbal MMA, Mehboob MY, Hassan T (2022) Theoretical study of the structure-activity relationship of the S-shaped acceptor molecules for organic solar cell applications. Mater Sci Semicond Process 106773(148):1–9 Mehboob MY, Hussain R, Irshad Z, Adnan M (2021) Role of acceptor guests in tuning optoelectronic properties of benzothiadiazole core based non-fullerene acceptors for high-performance bulk-heterojunction organic solar cells. J Mol Model 27(226):1–16 Ahmad A (2014) Organic semiconductors for device applications: current trends and future prospects. J Polym Eng 34:279–338 Senthilkumar RNK (2014) Charge transport and optical properties of cross-conjugated organic molecules: A theoretical study. Org Electron 15:1607–1623 Guo X, Zhou N, Lou SJ, Smith J, Tice DB, Hennek JW, Ortiz RP, Navarrete JTL, Li S, Strzalka J, Chen LX, Chang RPH, Facchetti A, Marks TJ (2013) Polymer solar cells with enhanced fill factors. Nat Photonics 22(7):825–833 Ahmed S, Kalita DJ (2018) Charge transport in isoindigo-dithiophenepyrrole based D-A type oligomers: A DFT/TD-DFT study for the fabrication of fullerene-free organic solar cells. J Chem Phys 149(23):234906–234917. https://doi.org/10.1063/1.5055306 Kukhta AV, Kukhta IN, Kukhta NA, Neyra OL, Meza E (2007) DFT study of the electronic structure of anthracene derivatives in their neutral, anion and cation forms. Journal of Physics B 10(41):1–7 Runge E, Gross EKU (1984) Density-functional theory for time-dependent systems. Phys Rev Lett 52(12):997–1000 Adoma C, Barone V (1999) Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: the PBE0 model. J Chem Phys 110(13):6158–6170 Perdew JP, Chevary JA, Vosko SH, Jackson KA, Pederson MR, Singh DJ, Fiolhais C (1992) Atoms, molecules, solids, and surfaces: applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation. Phys Rev B,15(46):6671–6687 Baryshnikov GV, Minaev BF, Pittelkow ML, Nielsen CB, Salcedo R (2013) Nucleus-independent chemical shift criterion for aromaticity in π-extended tetraoxa[8] circulenes. J Mol Model 2(19):847–850 Hlel A, Mabrouk A, Chemek M, Ben Khalifa I, Alimi K (2015) A DFT study of charge transfer and opto-electronic properties of some new materials involving carbazole units. Comp Cond Matter 3:30–40 Promodini S (2015) Third-order optical nonlinearity and optical power limiting of organic materials under cw laser Illumination, Phd. thesis. Manipal Institute of Technology, Manipal Zhao K (2010) Theoretical study on nonlinear optical properties of organic chromophores in solutions. Phd Thesis. Department of Theoretical Chemistry School of Biotechnology Royal Institute of Technology Stockholm, Sweden Ehrlich JE, Wu XL, Lee I-Y, Hu ZY, Roeckel H, Marder SR, Perry (1997). J Opt Lett 22:1843–1857 Sekar N, Katariya S, Rhyman L, Alswaidan İA, Ramasami P (2019) Molecular and NLO properties of red fluorescent coumarins – DFT computations using long-range separated and conventional functionals. J Fluoresc 29(1):241–253 Cheng LT, Tam W, Stevenson SH, Meredith GR, Rikken G, Marder SR (1991) Experimental investigations of organic molecular nonlinear optical polarizabilities. 1. Methods and results on benzene and stilbene derivatives. J Phys Chem 95(26):10631–10643 Kaatz P, Donley EA, Shelton DP (1998) A comparison of molecular hyperpolarizabilities from gas and liquid phase measurements. J Chem Phys 108(3):849–856 Adant C, Dupuis M, Bredas JL (1995) Ab initio study of the nonlinear optical properties of urea: Electron correlation and dispersion effects. Int J Quantum Chem 56(S29):497–507 Uzun K, Sayın S, Tamer Ö, Çevik U (2021) Comparison of charge transport and opto-electronic properties of pyrene and anthracene derivatives for OLED applications. J Mol Model 27(174):1–11 Scrocco E, Tomasi J (1979) Interpretation by means of electrostatic molecular potentials. Adv Quantum Chem 11:115 Zhao D, Saputra RM, Song P, Yang Y, Ma F, Li Y (2020) Enhanced photoelectric and photocatalysis performances of quinacridone derivatives by forming D-π-A-A structure. Sol Energy 201:872–883 Zahid S, Rasool A, Ans M, Alrowaili ZA (2022) Environmentally compatible and highly improved hole transport materials (HTMs) based on benzotrithiophene (BTT) skeleton for perovskite as well as narrow bandgap donors for organic solar cells. Sol Energy 231(2):793–808 He L-J, Sun Y, Li W, Wang J, Song M-X (2018) Highly-efficient sensitizer with zinc porphyrin as building block: Insights from DFT calculations. Sol Energy 137:283–290 Mehboob MY, Hussain R, Khan MU, Adnan M, Umar A, Alvi MU, Ahmed M, Khalid M, Iqbal J, Akhtar MN, Zafar F, Shahi MN (2020) Designing N-phenylaniline-triazol configured donor materials with promising optoelectronic properties for high-efficiency solar cells. Comput Theor Chem 1186(112908):1–13 Mehboob MY, Hussain R, Khan MU, Adnan M, Umar A, Alvi MU, Yaqoob J, Khalid M (2022) Efcient designing of half-moon-shaped chalcogen heterocycles as non-fullerene acceptors for organic solar cells. J Mol Model 28(125):1–16 Hassan T, Sajid I, Janjua MRSA, Shafiq Z, Mehboob MY, Sultan N (2023) Non-fullerene based photovoltaic materials for solar cell applications: DFT-based analysis and interpretation. Comput Theor Chem 1224(114128):1–10 Kanwal N, Hussain R, Sattar A, Asiri MA, Imran M, Hussain A, Yawer MA, Hussain R, Mehboob MY, Khalid M, Ayub K, Hassan T (2020) DFT based modeling of asymmetric non-fullerene acceptors for high-performance organic solar cell. Opt Quant Electron 54(546):1–20 Mehboob MY, Khan MU, Hussain R, Hussain RA, Ayub K, Sattar A, Ahmad MK, Irshad Z, Saira AM (2021) Designing of benzodithiophene core-based small molecular acceptors for efficient non-fullerene organic solar cells. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 224(118873):1–11 Mehboob MY, Khan MU, Hussain R, Fatima R, Irshad Z, Adnan M (2023) Designing of near-infrared sensitive asymmetric small molecular donors for high-efficiency organic solar cells. J Theor Comput Chem 19(08):1–12