Publicação: Estudo sobre a estrutura eletrônica de ftalocianinas metaladas para
aplicação em células solares sensibilizadas por corante
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
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Resumo
As propriedades eletrônicas de derivados de ftalocianinas metaladas
push-pull de zinco(II) (FtZn), alumínio(III) (FtAl) e rutênio(II) (FtRu)
apresentando dois grupos doadores de elétrons (N,N-dietilanilina) e dois
grupos retiradores de elétrons (ácido benzóico), foram estudadas usando a
teoria do funcional de densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP na
presença do solvente (DMSO) e no vácuo, visando sua aplicação em células
solares sensibilizadas por corante (CSSC). Para a descrição dos estados
excitados usou-se a extensão dependente do tempo da DFT (TD-DFT). Na
transição para o estado excitado destes compostos há uma transferência de
carga dos grupos doadores para os grupos aceptores, que resulta em rearranjo
eletrônico induzindo o efeito batocrômico observado com a adição de DMSO.
Essa transferência eletrônica está direcionada para o grupo aceptor (grupo
benzóico), principalmente na FtRu, que possibilita uma maior probabilidade na
injeção eletrônica na banda de condução do semicondutor. A energia do
HOMO para a FtZn e FtAl estão suficientemente abaixo do potencial redox do
eletrólito e o LUMO, em todos os compostos, está acima da banda de
condução do TiO2. Essas moléculas push-pull apresentam pancromismo,
importante para a aplicação destes compostos em CSSC uma vez que podem
absorver fótons de diferentes energias. Análises NBO sugerem que o rutênio
apresenta forte coordenação com os nitrogênios do macrociclo que possibilita
grande participação deste metal nestas transições eletrônicas. As energias de
ionização e eletroafinidades foram calculadas com o objetivo de quantificar a
barreira energética no ganho/perda de um elétron.
Abstract
The electronic properties of push-pull substituted, zinc(II) (ZnPc),
aluminum(III) (AlPc), and ruthenium(II) (RuPc), metal-phthalocyanine
derivatives, presenting two electron donating groups (diethylamine) and two
electron withdrawing groups (carboxylic) was studied using the Density
Functional Theory (DFT) with B3LYP exchange-correlation functional in the
vacuum and under the presence of solvent (DMSO), aiming their application in
dye-sensitized solar cells (DSSC). For the excited states, the time-dependent
approach of DFT (TD-DFT) was applied. In the transition for the excited state it
was evidenced a charge transfer from donor to acceptor groups which results in
large electronic rearrangement inducing the bathochromism when adding
DMSO (a polar solvent). This electronic transfer is directed to the acceptor
groups (benzoic groups), mainly in RuPc molecule, which enables bigger
probability in the electronic injection into the semiconductor s conduction band.
HOMO s energy to the ZnPc and AlPc are sufficiently below the redox
potential of the electrolyte and LUMO s energy, in all compounds, is above
the conduction band of the oxide. Those push-pull molecules present
panchromism, important for the application of these compounds in DSSC since
they can absorb photons in a large range of energies. NBO analysis suggests
that the ruthenium presents strong coordination with the nitrogen atoms of the
macrocycle, which allows a larger participation of this metal in the electronic
transition. The ionization energy and electron affinity were calculated aiming to
quantify the energetic barrier in the electron gain / loss.
Palavras-chave
DFT, Células solares sensibilizadas por corante, DSSC, Ftalocianinas, Dye-sensitized solar cells, Phthalocyanine, Push-pull, Células solares, Geração de energia fotovoltaica
Citação
GOMES, Weverson Rodrigues. Estudo sobre a estrutura eletrônica de ftalocianinas metaladas para
aplicação em células solares sensibilizadas por corante. 2012. 73 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Exatas e da Terra) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2012.45