分子動力学計算に基づくペロブスカイト太陽電池における有機カチオンの機能の解明

基于分子动力学计算阐明钙钛矿太阳能电池中有机阳离子的功能

基本信息

批准号：
18J21325
负责人：
浦谷浩輝
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光励起状態にある物質のダイナミクスは、太陽電池等の応用的観点から重要であるとともに、基礎科学的にも興味深いテーマを多数含んでいる。本研究では、ペロブスカイト太陽電池材料として知られる鉛ハライドペロブスカイトにおける光励起状態ダイナミクスを理解することを念頭に、効率的な非断熱分子動力学計算手法の開発とその応用を行ってきた。本年度は、開発してきた手法をもとに、より広範な系・現象を扱えるよう拡張した。前年度までに、効率的な量子化学計算手法である時間依存（TD）密度汎関数強束縛（DFTB）法と、系を小さく分割して解くことで大規模系を扱う分割統治（DC）法を基本に、非断熱分子動力学手法の一種であるsurface hopping法を実装した。しかし、TD-DFTB法の制約により、励起状態から基底状態への無輻射失活過程については扱うことができなかった。本年度は、基底状態と励起状態の間のポテンシャル交差を簡便にかつ良好な精度で記述するspin flip理論を上記手法に導入することにより、無輻射失活過程を記述可能な大規模非断熱分子動力学シミュレーション手法を開発した。また、開発した手法をアゾベンゼンの光異性化反応に応用し、異性化量子収率や反応の時間スケールについて、より高コストな量子化学計算と同程度の精度を与えることを確認した。溶液系に対する検証も行い、溶媒依存性についても定性的に妥当な結果を得た。さらに、テトラフェニルエチレン（TPE）とその一部をOで架橋した誘導体（2OTPE）に対する応用も行った。実験的に、TPEは溶液中で速やかに無輻射失活するためほとんど蛍光を示さないが、2OTPEは強い蛍光を示すことが知られる。本シミュレーションにより、TPEの無輻射失活メカニズムを解明するとともに、2OTPEでこれが抑制される理由を明らかにした。

从太阳能电池等应用的角度来看，光激发态材料的动力学非常重要，并且从基础科学的角度来看，还包括许多有趣的主题。在这项研究中，我们开发并应用了一种有效的非绝热分子动力学计算方法，旨在了解卤化铅钙钛矿（即钙钛矿太阳能电池材料）中的光激发态动力学。今年，基于我们开发的方法，我们对其进行了扩展，以处理更广泛的系统和现象。到去年，我们已经开发了时间相关（TD）密度泛函紧束缚（DFTB）方法，这是一种高效的量子化学计算方法，以及分而治之（DC）方法，可以通过以下方式处理大型系统：在此基础上，我们实现了表面跳跃法，这是一种非绝热分子动力学方法。然而，由于TD-DFTB方法的局限性，无法处理从激发态到基态的非辐射失活过程。今年，我们将通过引入自旋翻转理论来描述非辐射失活过程的大规模非绝热分子动力学，该理论可以轻松准确地描述基态和激发态之间的潜在交叉，并引入到上述科学方法中。模拟方法。他们还将所开发的方法应用于偶氮苯的光异构化反应，并证实该方法在异构化量子产率和反应时间尺度方面提供了与更高成本的量子化学计算相同水平的精度。我们还对溶液系统进行了验证，并获得了有关溶剂依赖性的定性有效结果。此外，我们将该方法应用于四苯乙烯（TPE）及其部分交联衍生物（2OTPE）。实验表明，TPE 几乎不表现出荧光，因为它在没有辐射的情况下在溶液中迅速失活，而 2OTPE 则表现出强烈的荧光。通过该模拟，我们阐明了 TPE 的非辐射失活机制，并阐明了 2OTPE 抑制该机制的原因。