Estudo teórico sobre estados tripletos em células solares orgânicas e sistemas biológicos sensoriais

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Souza, João Paulo Araújo
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/86203
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Marlus Koehler
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spelling Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em FísicaKoehler, Marlus, 1970-Souza, João Paulo Araújo2024-01-24T14:47:21Z2024-01-24T14:47:21Z2023https://hdl.handle.net/1884/86203Orientador: Prof. Dr. Marlus KoehlerTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física. Defesa : Curitiba, 20/10/2023Inclui referênciasResumo: Uma estrategia para aprimorar a eficiencia das celulas solares organicas e a fluorizacao ou cloracao racional das moleculas de aceitadores nao fulerenos. Embora essa modificacao na estrutura quimica melhore propriedades importantes dos aceitadores, ainda ha poucas informacoes sobre os efeitos nos estados tripletos. Nossas descobertas revelaram que a fluoracao e cloracao das moleculas aceitadoras nao fulerenos reduzem a sobreposicao entre o orbital molecular mais altos ocupado e o orbital molecular mais baixo desocupado. Como resultado, a diferenca de energia entre o primeiro estado excitado singleto (S1) e o primeiro estado excitado tripleto (T1), conhecida como ?EST = ES1 ?ET1, tambem e reduzida. Esse efeito diminui a energia de ligacao dos excitons tripletos, favorecendo sua dissociacao em cargas livres. Alem disso, a reducao de ?EST contribui para reduzir as perdas causadas pela desativacao nao radiativa dos excitons T1. Nossos estudos tambem abordaram as geometrias dos estados excitados S1, T1 e o segundo estado excitado tripleto (T2), visando compreender o processo de conversao entre os estados singletos e tripletos. Observamos que os efeitos da fluoracao e cloracao persistem, porem, ao promover uma rotacao no angulo diedro entre as partes doadora de eletrons (D) e aceitadora de eletrons (A) das moleculas, foi possivel separar de maneira efetiva o orbital molecular mais alto ocupado do orbital molecular mais baixo desocupado. Essa rotacao resultou em uma transicao mais eficiente entre os estados singletos e tripletos, levando em consideracao parametros como acoplamento spin-orbita e energia de reorganizacao, alem de reduzir a desativacao nao radiativa. Por meio dessa rotacao, os estados intermediarios de energia tripletos desaparecem, permitindo a transicao efetiva S1?T1. A partir da compreensao dos estados tripletos em celulas solares organicas, passamos a investigar o mecanismo de magnetorrececao aviaria. Quando a luz atinge o olho da ave, as moleculas flavinas (FAD) e triptofano (Trp) sao ativadas, desencadeando seu processo de migracao. Descobrimos que esse processo e altamente sensivel a regioes de estados tripletos, sugerindo que a alternancia entre estados singletos e tripletos desempenha um papel crucial na orientacao das aves. Nossas investigacoes foram realizadas por meio de uma combinacao de metodos de quimica teorica e o modelo de continuacao polarizavel com uma funcao de troca hibrida separada por faixa otimamente ajustada.Abstract: A strategy to enhance the efficiency of organic solar cells is the rational fluorination or chlorination of non-fullerene acceptor molecules. Although this modification in the chemical structure improves important properties of the acceptors, there is still limited information about the effects on triplet states. Our findings have revealed that fluorination and chlorination of nonfullerene acceptor molecules reduce the overlap between the highest occupied molecular orbital and the lowest unoccupied molecular orbital. As a result, the energy difference between the first excited singlet state (S1) and the first excited triplet state (T1), known as ?EST = ES1 ? ET1, is also reduced. This effect lowers the binding energy of triplet excitons, favoring their dissociation into free charges. Additionally, the reduction of ?EST contributes to mitigating the losses caused by non-radiative deactivation of the T1 excitons. Our studies have also addressed the geometries of the excited states S1, T1, and the second excited triplet state (T2), aiming to understand the conversion process between singlet and triplet states. We observed that the effects of fluorination and chlorination persist, but by promoting a rotation in the dihedral angle between the electron donor and electron acceptor parts of the molecules, it was possible to effectively separate the highest occupied molecular orbital from the lowest unoccupied molecular orbital. This rotation resulted in a more efficient transition between singlet and triplet states, considering parameters such as spin-orbit coupling and reorganization energy, while reducing non-radiative deactivation. Through this rotation, the intermediate energy triplet states disappear, allowing for an effective S1?T1 transition. Building upon the understanding of triplet states in organic solar cells, we proceeded to investigate the mechanism of avian magnetoreception. When light reaches the bird's eye, flavins and tryptophan molecules are activated, triggering their migration process. We discovered that this process is highly sensitive to regions of triplet states, suggesting that the alternation between singlet and triplet states plays a crucial role in bird orientation. Our investigations were conducted using a combination of theoretical chemistry methods and the polarizable continuum model with an optimally tuned range-separated hybrid exchange functional.1 recurso online : PDF.application/pdfSemicondutores organicosCelulas solaresFulerenosSistemas biologicosFísicaEstudo teórico sobre estados tripletos em células solares orgânicas e sistemas biológicos sensoriaisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - JOAO PAULO ARAUJO SOUZA.pdfapplication/pdf7612017https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/86203/1/R%20-%20T%20-%20JOAO%20PAULO%20ARAUJO%20SOUZA.pdffc98b9a57af8327e0b30302da80b295aMD51open access1884/862032024-01-24 11:47:21.399open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/86203Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-01-24T14:47:21Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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