Femtosecond to millisecond studies of electron transfer processes in a donor–(π-spacer)–acceptor series of organic dyes for solar cells interacting with titania nanoparticles and ordered nanotube array films

文献情報

出版日 2011-12-20
DOI 10.1039/C2CP23825J
インパクトファクター 3.676
著者

Marcin Ziółek, Boiko Cohen, Xichuan Yang, Licheng Sun, Maggie Paulose, Oomman K. Varghese, Craig A. Grimes, Abderrazzak Douhal


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要旨

Time-resolved emission and absorption spectroscopy are used to study the photoinduced dynamics of forward and back electron transfer processes taking place between a recently synthesized series of donor–(π-spacer)–acceptor organic dyes and semiconductor films. Results are obtained for vertically oriented titania nanotube arrays (inner diameters 36 nm and 70 nm), standard titania nanoparticles (25 nm diameter) and, as a reference, alumina nanoparticle (13 nm diameter) films. The studied dyes contain a triphenylamine group as an electron donor, cyanoacrylic acid part as an electron acceptor, and differ by the substituents in a spacer group that causes a shift of its absorption spectra. Despite a red-shift of the dye absorption band resulting in an improved response to the solar spectrum, smaller electron injection rates and smaller extinction coefficients result in reduced dye sensitized solar cell (DSSC) conversion efficiencies. For the most efficient dye, TPC1, electron injection from the hot locally excited state to titania on a time scale of about 100 fs is suggested, while from the relaxed charge transfer state it proceeds in a non-exponential way with time constants from 1 ps to 50 ps. Our results imply that the latter process involves the trap states below the conduction band edge (or the sub-bandgap tail of the acceptor states), localized close to the dye radical cation, and is accompanied by fast electron recombination to the parent dye's ground state. This process should limit the efficiency of DSSCs made using these types of organic dyes. The residual, slower recombination can be described by a stretched exponential decay with a characteristic time of 0.5 μs and a dispersion parameter of 0.33. Both the electron injection and back electron transfer dynamics are similar in titania nanoparticles and nanotubes. Variations between the two film types are only found in the time resolved emission transients, which are explained in terms of the difference in local electric fields affecting the position of the emission bands.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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