Thiết kế các chất bán dẫn áp dụng cho pin mặt trời từ những cao phân tử hữu cơ

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT THIẾT KẾ CÁC CHẤT BÁN DẪN ÁP DỤNG CHO PIN MẶT TRỜI TỪ NHỮNG CAO PHÂN TỬ HỮU CƠ Đơn vị thực hiện: Phịng thí nghiệm Khoa học Phân tử Vật liệu Nano Chủ nhiệm nhiệm vụ: GS.TS Nguyễn Minh Thọ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04/2018 SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN BÁO CÁO TỔNG KẾT THIẾT KẾ CÁC CHẤT BÁN DẪN ÁP DỤNG CHO PIN MẶT TRỜI TỪ NHỮNG CAO PHÂN TỬ HỮU CƠ Viện trưởng Phịng thí nghiệm: Khoa học Phân tử Vật liệu Nano Chủ nhiệm nhiệm vụ Nguyễn Kỳ Phùng Nguyễn Minh Thọ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 04/2018 Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU NHÓM NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC I.1 WP1: Ảnh hưởng đơn vị cho electron thuốc nhuộm có sơ đồ D-D-π-A chế tái tạo pin mặt trời cảm ứng thuốc nhuộm (DSSC) I.2 WP2: Thiết kế lý thuyết số hợp chất bán dẫn dựa silole cho phát quang màu đỏ 24 I.3 WP3 Tính chất vận chuyển spin-phân cực phức dithiolene kim loại chuyển tiếp 33 I.4 Một số kết luận chung 41 II GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 42 III HỘI NGHỊ, HỘI THẢO, CÁC BUỔI NÓI CHUYỆN VÀ CÁC TRƯNG BÀY KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2016-2018 44 IV DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ NĂM 2017-2018 LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI NÀY 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 CÁC PHỤ LỤC PHỤ LỤC PHỤ LỤC PHỤ LỤC Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 MỞ ĐẦU Trong số nhiều vật liệu cần thiết cho thiết bị quang điện, pin mặt trời dựa vào chất bán dẫn vô (ISCs) nghiên cứu ứng dụng thành công từ năm 1950 Tuy nhiên, nhu cầu pin mặt trời rẻ tiền thân thiện với môi trường cho thị trường lượng rộng dẫn đến phát triển số loại tế bào quang điện hữu (OPV) sử dụng chất bán dẫn hữu cơ, bao gồm thuốc nhuộm hữu (pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm, DSSC), chất bán dẫn phân tử polyme liên hợp π (các tế bào lượng mặt trời hữu pin mặt trời màng mỏng tế bào lượng mặt trời dị thể dạng khối ) Các polyme hữu nghiên cứu cách rộng rãi theo quan điểm ứng dụng công nghiệp chúng Trong dự án nghiên cứu thiết kế lý thuyết số polyme hữu có tính chất phù hợp để sử dụng điện phân tử Bắt đầu từ dẫn xuất thiophene, chúng tơi tìm kiếm dẫn xuất đồng điện tử silic, biết đến siloles (silacyclopentadienes) Siloles có số tính chất hóa học quang phổ đặc biệt làm cho chúng hứa hẹn vật liệu vận chuyển điện tử (ETMs) khối tiềm cho oligomer/polyme liên hợp ứng dụng không pin mặt trời, mà OLEDs, lọc spin Tuy nhiên, silole chưa áp dụng cách rộng rãi, thiếu dẫn xuất tối ưu phù hợp Trong phần này, với việc sử dụng phép tính hóa học lượng tử, chúng tơi tìm loạt hợp chất chứa silole mong đợi ứng viên tốt cho ứng dụng điện phân tử Chúng đạt hiểu biết ảnh hưởng thông số cấu trúc đến tính chất electron, quang học chuyển điện tích chất bán dẫn hữu (OSC) chứa thiophene silole cho việc sử dụng pin mặt trời, OLED, lọc spin… Chúng thiết kế năm (5) thuốc nhuộm có đặc tính thích hợp để sử dụng DSSC Chúng tơi tìm thấy tác dụng chất thay phổ hấp thụ thuốc nhuộm tính chất quang điện tử khác Đặc biệt, nghiên cứu ảnh hưởng đơn vị tài trợ đầu cuối thuốc nhuộm có kiến trúc D-D-π-A tái tạo thuốc nhuộm DSSC Điều thể thành công đáng ghi nhận dự án chỗ xác định chế tái tạo thuốc nhuộm sau phản ứng khử oxy hóa thuốc nhuộm với cặp I- / I3 chất điện phân phục hồi hợp chất iốt Sự tái sinh thuốc nhuộm i-ốt quan trọng bối cảnh lượng tái tạo Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 Lời cảm ơn đến ICST Trong thời gian thực đề tài, nhận giúp đỡ nhiệt tình Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP HCM (ICST) Chúng xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Viện, Phịng Hành Tổng hợp, Bộ phận IT Bộ phận Quản lý Khoa học tạo cho điều kiện, ‘không gian học thuật’, nguồn máy tính phục vụ tính tốn từ phía Viện để chúng tơi hồn thành đề tài, hoàn thiện báo cáo Kết từ nghiên cứu tài trợ Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP HCM thơng qua hợp số 200/2016/HĐ-SKHCN ngày 20/12/2016 Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 NHĨM NGHIÊN CỨU Khoa, Phịng : Phịng thí nghiệm Khoa học phân tử Vật liệu nano (ICST-MSNM) Chủ nhiệm đề tài : GS TSKH Nguyễn Minh Thọ Viện Khoa học Cơng nghệ tính tốn Hồ Chí Minh (ICST), Phố Quang Trung, Thành phố Hồ Chí Minh Các thành viên đề tài : ThS Dương Văn Long, Master, ICST-MSNM ThS Phạm Tấn Hùng, B Sc., ICST-MSNM CN Ngô Quang Lộc, B Sc., ICST-MSNM TS Phạm Hồ Mỹ Phương, ICST-MSNM TS Nguyễn Minh Tâm, ĐH Tôn Đức Thắng Cộng tác viên TS Nguyen Thi Huyen, Ton Duc Thang University TS Vu Thi Thu Huong, KU Leuven, Belgium Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU I BÁO CÁO KHOA HỌC Trong năm thực dự án vào tháng 10 năm 2016 đến tháng năm 2018, thực ba gói cơng việc khác (WP): WP1 Ảnh hưởng đơn vị cầu nối cho điện tử thuốc nhuộm có cấu tạo D-D-π-A dựa chế tái tạo pin mặt trời cảm ứng thuốc nhuộm (DSSCs), WP2 Thiết kế theo lý thuyết số hợp chất bán dẫn dựa silole cho phát lân quang màu đỏ, WP3 Tính chất vận chuyển spin phân cực phức dithiolene-kim loại chuyển tiếp Việc tái tạo thuốc nhuộm quan trọng lĩnh vực lượng tái tạo Do chúng tơi khảo sát cấu trúc phân tử cấu trúc electron số dẫn xuất ảnh hưởng chúng polyme hữu chế tái tạo DSSC Chúng thấy silole thiết kế theo lý thuyết sử dụng hợp chất tiềm cho ứng dụng quang điện tử Cuối cùng, khám phá lĩnh vực ứng dụng polyme liên hợp có tính chất vận chuyển spin phân cực Lưu ý hai "Báo cáo chuyên đề" gửi vào tháng 5/2017 báo cáo phương pháp kỹ thuật tính tốn mà chúng tơi sử dụng nghiên cứu này: 1) Báo cáo chuyên đề 1: Xác định phương pháp tốt để tối ưu hố hình học OSC chứa silole cách so sánh tính tốn pha khí liệu thực nghiệm có sẵn, 2) Báo cáo chuyên đề 2: Sự thay đổi cấu trúc OSC chứa silole nghiên cứu tính chất hình học, electron, quang học chuyển điện tích chúng để xác định ứng viên tốt Trong phần tiếp theo, để đơn giản hóa việc trình bày kết quả, khơng thảo luận phương pháp tính tốn mà tập trung nhiều vào kết đăng (WP2 WP3) gửi đến tạp chí (WP1) Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 I.1 WP1: Ảnh hưởng đơn vị cho electron thuốc nhuộm có sơ đồ D-D-π-A chế tái tạo pin mặt trời cảm ứng thuốc nhuộm (DSSC) Nghiên cứu lý thuyết DSSC bao gồm thiết kế chiến lược cho đơn vị cho thuốc nhuộm để nâng cao hiệu DSSC để làm sáng tỏ chế tái tạo thuốc nhuộm hữu Để dễ dàng hiểu vấn đề này, xem xét sơ đồ hoạt động DSSC Hình Hình 1: Sơ đồ tổ chức DSSC I.1.1 Cơ chế tái tạo đề xuất Trong số thành phần mơ hình DSSC thể hình 1, thuốc nhuộm tái tạo yếu tố quan trọng việc xác định khả ứng dụng DSSC Sự tái chế thuốc nhuộm tái tạo cặp oxy hoá iodide/triiodide (I- / I-3) trình vận hành quan trọng DSSC có hiệu suất cao, mang lại hiệu chuyển đổi lượng khoảng 10-13% Ru chất cảm ứng hữu Mặc dù việc giảm chất cảm ứng quang hoá ảnh chủ đề nhiều nghiên cứu trước đây, chế tái tạo cách rõ rang vấn đề tranh luận nhiều Trong nội dung nghiên cứu này, đề xuất chế tái tạo thuốc nhuộm trình bày tóm tắt sơ Hình Thuốc nhuộm oxy hố tái tạo q trình iodide đơn (SIP) [1,2], thơng qua q trình hai iodie [3,4,5] Các nghiên cứu gần [6,7] khẳng định Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 cần phải có hai ion iodie để làm giảm lượng thuốc nhuộm hữu oxy hóa cách hoàn toàn Cơ chế tái tạo thuốc nhuộm TIP tiến hành thông qua đầu cung cấp electron (đầu cấp electron đầu tiên) đến bề mặt chất bán dẫn Các thuốc nhuộm dạng cation ( Dye  ) ban đầu phản ứng với hình thành phức [DyeI ] ; sau với phản ứng ion thứ hai hình thành phức [ DyeI ] , tiếp tục đến phức phân hủy thành Dye I 2 Ngược lại, giả định phức [ DyeI ] làm bền dựa phương diện nhiệt động lực học động học Do đó, hấp thụ ánh sáng cung cấp electron khác (đầu cung cấp electron thứ hai) đến bề mặt TiO2 phân hủy thành Dye I 2 Như hình 1, xem xét hai hướng phản ứng I II cho đầu cung cấp electron thứ thứ hai tương ứng Hình 2: Cơ chế tái tạo đề xuất cho DSSC Theo hướng phản ứng I, phức [DyeI ] hình thành thơng qua hai đường: mô tả bước I1 I2, thuốc nhuộm trung hòa hấp thụ photon, sau cung cấp electron phản ứng với I  hình thành [DyeI ] thuốc nhuộm trung hòa ban đầu tương tác với I  trước, sau hấp thụ photon cung cấp electron để hình thành phức [DyeI ] Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Khảo sát lý thuyết tính chất cluster Boron pha tạp nguyên tố Carbon kim loại chuyển tiếp dãy Áp dụng vào phản ứng oxy hóa CO nhận CO2 Một cách tương tự hướng phản ứng II, giả định tái tạo chất nhuộm có tính đầy đủ diễn theo hai đường (II1 II2) từ chất trung gian bền [DyeI ] Theo đường II1, chất trung gian phản ứng với I  thứ hai hình thành phức [ DyeI ] (bước II1-1) sau hấp thụ photon cho đầu cung cấp thứ hai Sau cung cấp electron thứ hai, phức [ DyeI ] hình thành (bước II1-2), sau tiếp tục phân hủy thành Dye I Mặt khác, theo đường phản ứng II2, phức [DyeI ] hấp thụ ánh sáng cung cấp electron thứ hai, tạo chất trung gian [DyeI ] (bước II2-1); sau phản ứng với I  thứ hai hình thành [ DyeI ] (bước II2-2) tiếp tục phân hủy thành Dye I Tất chất trung gian hai đường phản ứng xem xét vị trí tương tác khác cho iodide/iodine Dye Dye  Các kết thu nghiên cứu khẳng định phức [dyeI2]•− hấp thụ ánh sáng cung cấp electron thứ hai ưu tiên phân hủy làm giảm thuốc nhuộm I2•− Do đó, phản ứng tái tạo chủ yếu tiến hành thơng qua đầu cung cấp electron thứ hai lên bề mặt chất bán dẫn cách sử dụng bước tạm thời (hình 2) I.1.2 Thiết kế tạo cảm biến hữu dựa sơ đồ D-D-π-A Trong cấu tạo DSSC (Hình 1), thuốc nhuộm-một chất cảm quang, thành phần quan trọng việc xác định hiệu suất hấp thụ ánh sáng, cung cấp electron, tái tạo thuốc nhuộm trình truyền electron [8] Về nội dung này, nhiều nỗ lực thực năm gần để thiết kế chất cảm ứng cao cho ứng dụng DSSC Các chất nhạy cảm thuốc nhuộm dựa phức ruteni [9] thuốc nhuộm hữu không kim loại [10] porphyrins [11] đưa Các chất cảm quan dựa ruteni tìm thấy để tăng cường tính chất quang điện đạt hiệu suất chuyển đổi lượng trên 11% [12] Sau đó, chất nhuộm hữu không kim loại coi chất thay cho chất cảm ứng chứa ruthenium, phần tính chất có lợi chúng hệ số dập tắt phân tử cao hơn, chi phí thấp thân thiện với môi trường Gần đây, chất điện phân dựa coban hoạt động chất nhạy cảm hữu hiệu nay, mang lại hiệu tổng chung cao 14,3% [13] Mặc dù hiệu suất ghi nhận với DSSC hữu cơ, không đủ cao cho ứng dụng quy mơ lớn Do đó, nghiên cứu yếu tố trình liên quan đến DSSC với mục đích vượt qua giới hạn bước chuyển đổi lượng Viện Khoa học Công nghệ Tính tốn TP Hồ Chí Minh Trang Table Calculated Interaction Energies (ΔGint in eV) for the Proposed Intermediate Complexes of Dye Regeneration Mechanism for the Designed Sensitizers ΔGint Complexes dye  I   [dyeI ] ΔGint Complexes  ΔGint Complexes dye  I  [dyeI ] E1 A1 A2 A3 dye  I  [dyeI ]  C1 C2 C3 [dye1I]− -0.39 -0.36 -0.26 [dye1I2]•− -0.22 -0.25 -0.21 [dye1I2] 0.01 0.06 0.05 [dye2I]− -0.35 -0.54 -0.38 [dye2I2]•− -0.34 -0.36 -0.29 [dye2I2] 0.09 0.07 0.14 [dye3I]− -0.53 -0.63 -0.63 [dye3I2]•− -0.29 -0.37 -0.38 [dye3I2] 0.06 0.05 0.06 [dye4I]− -0.66 -0.63 -0.68 [dye4I2]•− -0.38 -0.37 -0.51 [dye4I2] 0.11 0.01 0.05 [dye5I]− -0.67 -0.71 -0.63 [dye5I2]•− -0.53 -0.51 -0.44 [dye5I2] 0.07 0.09 0.04 E2 E3 Labeling A1-A3, C1-C3 and E1-E3 represents the three different I− ion interaction sites of the intermediate complexes in the dye rgeneration process dye1-dye5 denotes the different donor groups of the designed dyes Table Recombination Reactions Barriers for the Formation of the [dyeI2]•−Complexes [dyeI2]•−Complexes Reaction Barrier (ΔG in eV) Reaction Energies (ΔGrxn in eV) dye1 0.08 -0.51 dye2 0.08 -0.49 dye3 0.10 -0.85 dye4 0.11 -0.85 dye5 0.25 -0.75 † The reaction energy of the reactants of the intermediate complex is set to zero to present the reaction energy barrier and exergonic of the reaction The recombination reaction barrier [dye•+…I−…I−] is determined between the two iodides Ions Table Calculated Absorption Wavelength (λabs in nm), Oscillator Strengths (f in a.u.), Light Harvesting Efficiency (LHE), and the Corresponding Electronic Transition of the Intermediate [dyeI]− Complexes of the Designed Sensitizers with Different Donor Groups Complexes States λ f LHE dye1 S0→S1 S0→S1 518.5 617.8 0.85 0.89 0.86 0.87 S0→S1 599.4 0.65 0.78 S0→S1 581.1 0.93 0.88 S0→S1 507.6 0.84 0.85 S0→S1 586.4 0.75 0.82 S0→S1 561.7 0.38 0.58 S0→S1 576.5 0.86 0.86 S0→S1 S0→S1 516.4 574.2 0.92 0.98 0.88 0.90 S0→S1 564.5 0.78 0.83 S0→S1 555.3 0.51 0.69 S0→S1 S0→S1 494.0 546.3 0.81 0.92 0.84 0.88 S0→S2 536.2 0.59 0.74 S0→S1 557.6 0.31 0.51 S0→S1 S0→S1 484.4 543.8 0.82 0.92 0.85 0.88 S0→S1 546.0 0.50 0.68 S0→S1 553.3 0.59 0.74 dye2 dye3 dye4 dye5 * Electronic Transition H-1 → L(54.2 %) H→ L(38.8 %) H-3→ L(43.6 %) H-5→ L(26.5 %) H → L (15.9 %) H → L (36.2 %) H-3 → L(23.9 %) H-6 → L(23.9 %) H-3→ L (55.1 %) H-4→ L(18.9 %) H-6 → L(18.4 %) H-1→ L (41.3 %) H → L(33 %) H-2→ L (17.7%) H → L (32.0 %) H-3 → L(27.7 %) H → L (62.0 %) H-4 → L(10.6 %) H-3→ L (41.2 %) H-4→ L (15.0 %) H-2→ L (64.7 %) H-3→ L (40.8 %) H-6→ L (15.4 %) H-4→ L (32.0 %) H-5→ L (15.2 %) H→ L (46.5 %) H-4→ L (10.9 %) H → L (49.8 %) H-3 → L (41.3 %) H-5→ L (16.0 %) H-5 → L (30.6 %) H → L (26.9 %) H → L (68.9 %) H → L (52.6 %) H-3 →L (43.0 %) H-5→ L (17.7 %) H → L (48.2 %) H-5→ L (13.4 %) H → L (33.6 %) H-3 → L(23.4 %) H-7 → L(12.3 %) H-5→ L(29.8 %) H → L(26.9 %) H-5→ L(36.5 %) H-3→ L(29.6 %) H-6→ L (18.3 %) H-1→ L(40.4 %) H-7→ L(16.5 %) H-3 → L (27.6 %) H-1→ L(35.2 %) H-8→ L(26.5 %) H-7→ L(15.3 %) H-5→ L(10.4 %) H-7→ L(23.7 %) H-5 → L(11.6 %) Labeling A1, A2 and A3 denotes the three most stable iodide interaction sites of the [dyeI]−complexes Dye1-dye5 signifies the different donor groups of the designed sensitizers Figure(s) - provided separately Click here to download Figure(s) - provided separately: List-of-Figures.docx Scheme-1 Chemical Structures of the Designed Dyes with a Framework of D-D-π-A Configuration Five Different Types of Donor Substituent Groups Were Studied: a) dimethylamino, b) dimethylamino and diphenylamino, c) diphenylamino, d) diindoline, e) dicarbazole families Figure Calculated UV-Vis Absoption Spectrum of the Designed dyes Figure Schematic Representation of Energy Levels and Band Gaps of the Dyes along with TiO2 and the I3-/I- Redox Couple Figure Simulated Isodensity plots of the selected Frontier Moleculer Orbitals of the Dyes with different Donor Units (dye1-dye5) The isovalue is 0.02 a.u Figure Optimized Molecular Geometries A) [dyeI]− B) [dyeI]• C) [dyeI2]•− of the three most stable dye-iodide complexes of Model dye1 Sensitizers The color scheme adopted is gray, white, blue, red, yellow and purple for C, H, N, O, S, and I atoms, respectively The dashed line represents the interaction distances Figure Simulated UV-Vis Absorption Spectrum for the three Different Interaction Sites of [DyeI]−Complexes along the Designed Sensitizers Figure Simulated UV-Vis Absoption Spectrum for three the Different Reaction Sites of the [DyeI]• Complexes along the Designed Dyes Figure Simulated UV-Vis Absorption Spectrum for the Three Different Reaction Sites of [DyeI2]•− Complexes along the Designed Sensizers 10 Figure Calculated Isodensity Plots of the Selected Frontier Moleculer Orbitals of A) [DyeI]− B) [DyeI]• C) [DyeI2]•− Complexes of the Designed Model Dye1 Sensitizers (Isovalue is 0.02 a.u.) 11 Supplementary Materials Click here to download Supplementary Materials: Supplementary-Materials.docx