Controlling the directionality of charge transfer in phthalocyaninato zinc sensitizer for a dye-sensitized solar cell: density functional theory studies

文献情報

出版日 2010-11-22
DOI 10.1039/C0CP01572E
インパクトファクター 3.676
著者

Liang Wan, Dongdong Qi, Yuexing Zhang, Jianzhuang Jiang


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要旨

Density functional theory (DFT) calculation on the molecular structures, charge distribution, molecular orbitals, electronic absorption spectra of a series of eight unsymmetrical phthalocyaninato zinc complexes with one peripheral (E)-2-cyano-3-(5-vinylthiophen-2-yl) acrylic acid substituent at 2 or 3 position as an electron-withdrawing group and a different number of electron-donating amino groups at the remaining peripheral positions (9, 10, 16, 17, 23, 24) of the phthalocyanine ring, namely ZnPc-β-A, ZnPc-β-A-I-NH2, ZnPc-β-A-II-NH2, ZnPc-β-A-III-NH2, ZnPc-β-A-I,II-NH2, ZnPc-β-A-I,III-NH2, ZnPc-β-A-II,III-NH2, and ZnPc-β-A-I,II,III-NH2, reveals the effects of amino groups on the charge transfer properties of these phthalocyanine derivatives with a typical D-π-A electronic structure. The introduction of amino groups was revealed altering of the atomic charge distribution, lifting the frontier molecular orbital level, red-shift of the near-IR bands in the electronic absorption spectra, and finally resulting in enhanced charge transfer directionality for the phthalocyanine compounds. Along with the increase of the peripheral amino groups at the phthalocyanine ring from 0, 2, 4, to 6, the dihedral angle between the phthalocyanine ring and the average plane of the (E)-2-cyano-3-(5-vinylthiophen-2-yl) acrylic acid substituent increases from 0 to 3.3° in an irregular manner. This is in good contrast to the regular and significant change in the charge distribution, destabilization of frontier orbital energies, and red shift of near-IR bands of phthalocyanine compounds along the same order. In addition, comparative studies indicate the smaller effect of incorporating two amino groups onto the 16 and 17 than on 9 and 10 or 23 and 24 peripheral positions of the phthalocyanine ring onto the aforementioned electronic properties, suggesting the least effect on tuning the charge transfer property of the phthalocyanine compound via introducing two electron-donating amino groups onto the 16 and 17 peripheral positions. As expected, compound ZnPc-β-A-I,III-NH2 with four amino groups at 9, 10, 23, and 24 positions of the phthalocyanine ring shows the best charge transfer directionality among the three phthalocyaninato zinc complexes with four peripheral amino groups.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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