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。

从光激发状态中的材料的动力学从应用的角度（例如太阳能电池）很重要，还包括许多有趣的主题，从基本的科学角度来看。在这项研究中，我们开发了和应用有效的非绝热分子动力学计算方法，目的是了解铅卤化物钙钛矿中的光激发状态动力学，称为钙钛矿太阳能电池材料。今年，我们根据我们开发的方法扩展了系统，以处理更广泛的系统和现象。到上一年，我们基于时间依赖性（TD）密度（TD）密度刚性（DFTB）方法的表面跳跃方法，一种非绝热的分子动力学方法，这是一种有效的量子化学计算方法，是一种有效的量子化学计算方法，以及通过划分和求解系统中的大型系统来处理大型系统。但是，由于TD-DFTB方法的局限性，无法解决从激发态向基态失活的过程。今年，我们开发了一种大规模的非绝热分子动力学仿真方法，可以通过将自旋翻转理论引入上述方法来描述非辐射性失活过程，该方法可以方便地描述基态与激发态之间的潜在交叉，以良好的准确性。此外，开发的方法应用于偶氮苯的光异构反应，并证实量子异构化产率和反应的时间尺度准确地达到了与高成本量子化学计算的水平相同的水平。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结果。此外，它还应用于四苯甲基乙烯（TPE）和衍生物（2OTPE），其中部分与O进行了交联。在实验上，TPE几乎没有荧光，因为它在溶液中迅速失活，而2OTPE则表现出强烈的荧光。该模拟阐明了TPE的非辐射式失活的机制，并揭示了为什么2OTPE抑制了这一点。