経験電位分子動力学シミュレーションによるN719-クロモフォア/チタニア界面の振動スペクトル、室温イオン液体による溶媒和

色素増感型太陽電池(DSC)では、半導体の光バンドギャップは、光吸収、または感作染料によって橋渡しされます。DCは継続的な再充電を必要とします:したがって、酸化還元電解質は、この一定の充電供給を促進するために不可欠です(通常はI^–/I^3-、有機溶媒の形で)。これにより、感作色素から電解質への正孔の通過が容易となり、外部回路に通る金属酸化物基板に光励起電子が注入され、最終的にはカソード¹で再結合が行われる。DSCの様々な実世界アプリケーションの肯定的な見通しを支える重要な側面は、純度の高い原材料を必要とせずに、その簡単な製造に由来します。これは、シリコンベースの太陽光発電に必要な高い資本コストと超純度とは対照的です。いずれにせよ、低揮発性の室温イオン液体(RTILs)と安定性の低い電解質を交換することによって、DSCの労働寿命のタイムスケールを大幅に改善する見通しは、大きな期待を示しています。RTILsの固体状の物性と液体状の電気特性(低毒性、燃焼性、揮発性^など)を1つ組み合わせることで、DSCアプリケーションでの使用に適した優れた候補電解質を構成する。

このようなDSCにおけるRTILsの見通しを考えると、近年、DSCプロトタイプN719-クロモフォア/チタニアのRTILsとのインターフェースを研究する活動が大幅に増加したことは驚くべきことではありません。特に、このようなシステム上の重要な作業は、2、3、4、5、染料^2、5の電荷補充動態、電子ホールダイナミクスと伝達3の機械学的ステップ、およびもちろん、これらに対するチタニア基質のナノスケールの影響を含む広範な物理化学的プロセスを考慮した^{2、3、4、5}を行った。

DFTベースの分子シミュレーション、特にAIMDの進歩を念頭に置いて⁶材料科学、特にDCの分野で非常に有用な原型設計ツールとして^7,8,9,10,11、最適な機能選択の重要な評価が不可欠である^8,9と、AIMD技術は、DSC半導体表面における色素構造、吸着モードおよび振動特性に対するかなり重要な分散および明示的なRTILの解決効果を精査するのに非常に有用であることが以前に証明されている。特に、AIMDの採用は、バンドギャップや構造結合などの重要な電子特性の合理的な半定量的な捕獲と予測を達成することに成功しました¹³および振動スペクトル¹⁴refsで。12-14、AIMDシミュレーションは、(101)アナターゼチタニア表面に結合した写真活性N719染色体色素に対して広範囲に行われ、[bmim]の存在下で電子特性と構造特性の両方を評価した。⁺[NTf2]^–12,13と [bmim]⁺[私]^–14[bmim]の場合の振動スペクトルに加えて、RTILs⁺[私]^–14.特に半導体表面の剛性¹⁵は、その固有の比較写真活性とは別に、(101)アナターゼインタフェースを作るAIMDシミュレーション内で表面がわずかに変化しました^12,13,14適切な選択。ref. 12が示すように、カチオンと表面の間の平均距離は約0.5Å下がり、カチオンと陰イオンの平均分離は0.6Å減少し、カチオンが上昇していた色素の周りの最初の層におけるRTILsの顕著な変化エージ1.5Åは、色素の中心からさらに、RTIL−溶媒和系における明示的な分散相互作用によって直接引き起こされた。N719染料の構成に吸着した非物理的なキンキングは、真空中に明示的な分散効果を導入した結果でもあった。ref. 13では、明示的なRTILの解決と機能的選択の構造的効果がDSSCの挙動に影響を及ぼすかどうかの解析を行い、分散の明示的な解決と処理の両方が非常に重要であると結論付けました。ref. 14では、他のグループの高品質な実験振動スペクトルデータを使用して、特定の効果を明示的な[bmim]の両方で体系的にベンチマークしました。⁺[私]^–refsで確立された分散の解決および正確な処理。顕著なスペクトルモードの特徴の再生に12&13;これは、明示的な溶媒における触媒のAIMDモデリングの場合の構造特性と動的特性の両方に対する以前の知見を反映して、分散相互作用の正確な処理と共に、明示的な解決が重要であるという結論につながった¹⁶.実際、MosconiらはDSCシミュレーションのDFT処理に対する明示的な解決効果の印象的な評価も行っています。¹⁷.バハーズら¹⁸TD-DFTレベルで関連するスペクトルと一緒に色素の実験的吸収スペクトルを研究;これらのTD-DFTスペクトルは、それらの実験的な対応とのそれらの計算された遷移の点で非常によく一致した。さらに、ピロリジン(PYR)誘導体の吸収スペクトルは、Preatらによっていくつかの溶媒で研究された¹⁹では、染料の幾何学的構造や電子構造に関する重要な洞察を提供し、PYRベースのDSSCの特性を最適化するのに役立つ適切な構造改変を行います。

DFTとAIMDの両方の重要な貢献を、構造、電子および振動のスタンドポイント^からの明示的な解決や分散相互作用の適切な処理などの重要な技術的事項を含む、DSCの特性と機能の正確なモデリングに向けて明確に確立した7、電子および振動の立場から^{、9、10、11、12、13、14、}– 今 –現在の研究 – 焦点は、そのようなプロトタイプDSCシステムの構造および振動特性のアポサイトおよび合理的な予測に対処するために経験的潜在的なアプローチをどれだけうまく調整できるかという実用的な問題に向かって回り、[bmim]+ [NTf2]- RTILのケースとしてアナターゼ(101)に吸着したN719染料を取る。これは、DSCシミュレーション⁷と金属酸化物表面に取り組むために利用可能なフォースフィールドベースの分子シミュレーション活動と方法論的機械の大規模なコーパスだけでなく、計算コストvis-à-vis DFTベースのアプローチが驚異的に減少し、偏った相サンプリングアプローチとの非常に効率的な結合の可能性があるため、非常に効率的な位相空間と構造進化を捕捉する可能性があるため、重要です。周囲温度で固体のような物理的特性によって支配される。したがって、DFTとAIMDの両方と振動スペクトル¹⁴の実験データによって知らされたフォースフィールドアプローチの測定と最適化に関するこのオープンな質問によって動機づけられ、N719色素の原子速度自動相関(VACF)の質量加重フーリエ変換を使用して、MDからの振動スペクトル予測における実証的な潜在的性能を評価するという差し迫った課題に目を向ける。1つの重要な関心事は、RTILの異なる部分電荷パラメータ化が振動スペクトル予測にどのような影響を与えるかであり、特にこの点に特に注意が払われ、実験およびAIMD²⁰に対して最適なスペクトルモード予測のための力場を調整するより広範なタスクが与えられた。