Desenvolvimento de metodologia para otimização de parâmetros fotovoltaicos de sensibilizadores orgânicos de células solares, incluindo efeitos conformacionais
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Resumo: | Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2025. |
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O desempenho de uma DSSC é influenciado por uma série de parâmetros essenciais, incluindo o potencial de circuito aberto (VOC), a eficiência de coleta de luz (LHE), as energias livres de Gibbs para injeção e regeneração de elétrons (ΔGinj e ΔGreg, respectivamente), o fator de preenchimento (FF) e a vida útil do estado excitado (τ). A pesquisa se concentrou em moléculas com uma arquitetura dipolar D-π-A, utilizando uma abordagem que inclui uma extensa busca conformacional com os programas CREST e CENSO, seguida por cálculos de estrutura eletrônica em nível TD-DFT, empregando a aproximação de Tamm-Dancoff. Inicialmente, 150 moléculas distintas foram selecionadas para uma triagem inicial no vácuo. A partir de um modelo de Machine Learning (ML) de classificação, as 10 moléculas mais promissoras foram selecionadas com base em parâmetros fotovoltaicos e descritores sobre a natureza transição eletrônica dos cromóforos. As moléculas selecionadas pelo ML foram então reavaliadas considerando o efeito da solvatação implícita, o que permitiu uma análise mais realista das propriedades eletrônicas em condições mais próximas às experimentais. Além disso, foram empregados três funcionais de troca-correlação (B3LYP, CAM-B3LYP e ωB97XD4) para avaliar o impacto da escolha do funcional nos parâmetros calculados. Dentre eles, o funcional CAM-B3LYP demonstrou os resultados mais consistentes e confiáveis ao longo das comparações, destacando-se como o mais adequado para descrever as propriedades eletrônicas e fotofísicas dos cromóforos estudados. Este trabalho revelou a influência significativa do efeito do solvente nos parâmetros relacionados à natureza da transição eletrônica das moléculas. O estudo também sublinha a importância de levar em conta os efeitos conformacionais na otimização de fotossensibilizadores orgânicos, uma vez que os parâmetros eletroquímicos são derivados de cálculos TD-DFT que são fortemente dependentes da geometria, algo ainda pouco explorado na literatura. O protocolo desenvolvido realiza uma triagem molecular customizável para maximizar os parâmetros atrelados à eficiência fotovoltaica que pode ser estendido para corantes com arquiteturas moleculares mais complexas.Organic chromophores have been extensively investigated for applications in dyesensitized solar cells (DSSCs) as a means of generating clean and sustainable energy, aiming to replace metal-based photovoltaic cells. The performance of a DSSC is influenced by a series of essential parameters, including open-circuit potential (VOC), light-harvesting efficiency (LHE), Gibbs free energies for electron injection and regeneration (ΔGinj and ΔGreg, respectively), fill factor (FF), and excited-state lifetime (τ). This research focused on molecules with a dipolar D-π-A architecture, employing an approach that included an extensive conformational search using CREST and CENSO software, followed by electronic structure calculations at the TD-DFT level, applying the Tamm-Dancoff approximation. Initially, 150 distinct molecules were selected for preliminary screening in vacuum. A machine learning (ML) classification model was then applied, and the 10 most promising molecules were chosen based on photovoltaic parameters and descriptors related to the nature of the chromophores' electronic transition. The ML-selected molecules were subsequently reevaluated considering the effect of implicit solvation, enabling a more realistic analysis of electronic properties under conditions closer to experimental ones. Additionally, three exchange-correlation functionals (B3LYP, CAM-B3LYP, and ωB97X-D4) were employed to assess the impact of functional choice on the calculated parameters. Among them, the CAM-B3LYP functional demonstrated the most consistent and reliable results across comparisons, standing out as the most suitable for describing the electronic and photophysical properties of the studied chromophores. This work revealed the significant influence of solvent effects on parameters related to the nature of the molecules' electronic transition. The study also underscores the importance of accounting for conformational effects in the optimization of organic photosensitizers, given that electrochemical parameters are derived from TD-DFT calculations that are highly geometry-dependent—an aspect still underexplored in the literature. The developed protocol performs a customizable molecular screening to maximize photovoltaic efficiency-related parameters, which can be extended to dyes with more complex molecular architectures.Instituto de Química (IQ)Programa de Pós-Graduação em QuímicaporA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessDesenvolvimento de metodologia para otimização de parâmetros fotovoltaicos de sensibilizadores orgânicos de células solares, incluindo efeitos conformacionaisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCélula solarEfeito de solventeFotossensibilizadorreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNBORIGINAL2025_PierreCarlosDeSouzaJunior_DISSERT.pdf2025_PierreCarlosDeSouzaJunior_DISSERT.pdfapplication/pdf5652867http://repositorio.unb.br/bitstream/10482/53187/1/2025_PierreCarlosDeSouzaJunior_DISSERT.pdfe5f641505e3627d9f18e658ca7c89298MD51open accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain102http://repositorio.unb.br/bitstream/10482/53187/2/license.txtaed4704d04bb260d4decd80db311aaa5MD52open access10482/531872025-11-24 13:11:04.769open accessoai:repositorio.unb.br:10482/53187U3VibWlzc8OjbyBlZmV0aXZhZGEgZGUgYWNvcmRvIGNvbSBsaWNlbsOnYSBjb25jZWRpZGEgcGVsbyBhdXRvciBlL291IGRldGVudG9yIGRvcyBkaXJlaXRvcyBhdXRvcmFpcy4KRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2025-11-24T16:11:04Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB) |
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