Singlet exciton fission for solar cell applications: Energy aspects of interchromophore coupling

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 114, Issue 45, 2010, Pages 14223-14232

  Greyson, Eric C ^a   Stepp, Brian R ^d   Chen, Xudong ^b   Schwerin, Andrew F ^b   Paci, Irina ^a   Smith, Millicent B ^b   Akdag, Akin ^b   Johnson, Justin C ^c   Nozik, Arthur J ^c   Michl, Josef ^b,d   Ratner, Mark A ^a  

^a NORTHWESTERN UNIVERSITY   (United States)

^b UNIVERSITY OF COLORADO   (United States)

^c NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY   (United States)

^d INSTITUTE OF ORGANIC CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY   (Czech Republic)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

DENSITY FUNCTIONAL THEORY; EXCITONS; HETEROJUNCTIONS; SOLAR CELLS; SOLAR ENERGY; THERMODYNAMICS; TRANSFER MATRIX METHOD;

BUILDING BLOCKES; BULK HETEROJUNCTION; DYE-SENSITIZED SOLAR CELL; ELECTRON TRANSFER; FISSION PROCESS; MOLECULAR SYSTEMS; SINGLET EXCITONS; SOLAR-CELL APPLICATIONS; TRIPLET EXCITONS;

CHROMOPHORES;

EID: 77954912850     PISSN: 15206106     EISSN: 15205207     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp909002d     Document Type: Article

References (72)

1. Singh, S.; Jones, W. J.; Siebrand, W.; Stoicheff, B. P.; Schneider, W. G. J. Chem. Phys. 1965, 42, 330-342.
2. Arnold, S.; Alfano, R. R.; Pope, M.; Yu, W.; Ho, P.; Selsby, R.; Tharrats, J.; Swenberg, C. E. J. Chem. Phys. 1976, 64, 5104-5114.
3. Arnold, S.; Whitten, W. B. J. Chem. Phys. 1981, 75, 1166-1169.
4. Fleming, G. R.; Millar, D. P.; Morris, G. C.; Morris, J. M.; Robinson, G. W. Aust. J. Chem. 1977, 30, 2353-2359.
5. Frankevich, E. L.; Lesin, V. I.; Pristupa, A. I. Chem. Phys. Lett. 1978, 58, 127-131.
6. Groff, R. P.; Avakian, G. P.; Merrifield, R. E. Phys. Rev. B 1970, 1, 815-817.
7. Jundt, C.; Klein, G.; Sipp, B.; Le Moigne, J.; Joucla, M.; Villaeys, A. A. Chem. Phys. Lett. 1995, 241, 84-88.
8. Lopez-Delgado, R.; Miehe, J. A.; Sipp, B. Opt. Commun. 1976, 19, 79-82.
9. Pope, M.; Geacintov, N. E.; Vogel, F. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1969, 6, 83-104.
10. Von Burg, K.; Altwegg, L.; Zschokke-Gränacher, I. Phys. Rev. B 1980, 22, 2037-2049.
11. Geacintov, N. E.; Burgos, J.; Pope, M.; Strom, C. Chem. Phys. Lett. 1971, 11, 504-508.
12. Geacintov, N. E.; Pope, M.; Vogel, F. Phys. Rev. Lett. 1969, 22, 593-596.
13. Katoh, R.; Kotani, M. Chem. Phys. Lett. 1992, 196, 108-112.
14. Klein, G.; Voltz, R.; Schott, M. Chenu Phys. Lett. 1972, 16, 340-344.
15. Merrifield, R. E.; Avakian, P.; Groff, R. P. Chem. Phys. Lett. 1969, 5, 155-157.
16. Swenberg, C. E.; van Metter, R.; Ratner, M. A. Chem. Phys. Lett. 1972, 16, 482-485.
17. Yarmus, L.; Rosenthal, J.; Chopp, M. Chem. Phys. Lett. 1972, 16, 477-481.
18. Katoh, R.; Kotani, M.; Hirata, Y.; Okada, T. Chem. Phys. Lett. 1997, 264, 631-635.
19. Zenz, C.; Cerullo, G.; Lanzani, G.; Graupner, W.; Meghdadi, F.; Leising, G.; De Silvestri, S. Phys. Rev. B 1999, 59, 14336-14341.
20. Klein, G.; Voltz, R.; Schott, M. Chem. Phys. Lett. 1973, 19, 391-394.
21. Swenberg, C. E.; Ratner, M. A.; Geacintov, N. E. J. Chem. Phys. 1974, 60, 2152-2157.
22. Tomkiewicz, Y.; Groff, R. P.; Avakian, P. J. Chem. Phys. 1971, 54, 4504-4507.
23. Austin, R. H.; Baker, G. L.; Etemad, S.; Thompson, R. J. Chem. Phys. 1989, 90, 6642-6646.
24. Dellepiane, G.; Comoretto, D.; Cuniberti, C. J. Mol. Struct. 2000, 521, 157-166.
25. Kraabel, B.; Hulin, D.; Aslangul, C.; Lapersonne-Meyer, C.; Schott, M. Chem. Phys. 1998, 227, 83-98.
26. Lanzani, G.; Cerullo, G.; Zavelani-Rossi, M.; De Silvestri, S.; Comoretto, D.; Musso, G.; Dellepiane, G. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 187402-1187402-4.
27. Österbacka, R.; Wohlgenannt, M.; Chinn, D.; Vardeny, Z. V. Phys. Rev. B 1999, 60, 11253-11256.
28. Österbacka, R.; Wohlgenannt, M.; Shkunov, M.; Chinn, D.; Vardeny, Z. V. J. Chem. Phys. 2003, 118, 8905-8916.
29. Wohlgenannt, M.; Graupner, W.; Leising, G.; Vardeny, Z. V. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 3344-3347.
30. Wohlgenannt, M.; Graupner, W.; Österbacka, R.; Leising, G.; Comoretto, D.; Vardeny, Z. V. Synth. Met. 1999, 101, 267-268.
31. Gradinaru, C. C.; Kennis, J. T. M.; Papagiannakis, E.; van Stokkum, I. H. M.; Cogdell, R. J.; Fleming, G. R.; Niederman, R. A.; van Grondelle, R. Proc Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 2364-2369.
32. Papagiannakis, E.; Das, S. K.; Gall, A.; van Stokkum, I. H. M.; Robert, B.; van Grondelle, R.; Frank, H. A.; Kennis, J. T. M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 5642-5649.
33. Papagiannakis, E.; Kennis, J. T. M.; van Stokkum, I. H. M.; Cogdell, R. J.; van Grondelle, R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 6017-6022.
34. Müller, A. M.; Avlasevich, Y. S.; Müllen, K.; Bardeen, C. J. Chem. Phys. Lett. 2006, 421, 518-522.
35. Müller, A. M.; Avlasevich, Y. S.; Schoeller, W. W.; Müllen, K.; Bardeen, C. J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14240-14250.
36. Michl, J.; Nozik, A. J.; Chen, X.; Johnson, J. C.; Rana, G.; Akdag, A.; Schwerin, A. F. Proc SPIE 2007, 6656, 66560E/1-66560E/9.
37. Swenberg, C. E.; Geacintov, N. E. Organic Molecular Photophysics; Birks, J. B., Ed.; Wiley: New York, NY, 1973; Vol. 18, p 489-565.
38. Johnson, J. C.; Nozik, A. J.; Paci, I.; Ratner, M. A.; Popović, D. B.; David, D. E.; Chen, X.; Rana, G.; Michl, J. International Chemical Congress of Pacific Basin Societies, December 1.5-20, 2005; Scholar One, Inc.: Charlottesville, VA: Honolulu, HI; p 1597.
39. King, B. T.; Michl, J.; Nozik, A. J.; Ratner, M.; Winokur, M. DOE Solar Program Review Meetings, October 24-28, 2004; U. S. Department of Energy: Washington, D. C.: Denver, Colorado; p 5.
40. Shockley, W.; Queisser, H. J. J. Appl. Phys. 1961, 52, 510-519.
41. Shi, D.; Cao, Y. M.; Pootrakulchote, N.; Yi, Z. H.; Xu, M. F.; Zakeeruddin, S. M.; Graetzel, M.; Wang, P. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 17478-17485.
42. Hanna, M. C.; Nozik, A. J. J. Appl. Phys. 2006, 100, 074510/1-074510/8.
43. Paci, I.; Johnson, J. C.; Chen, X. D.; Rana, G.; Popović, D.; David, D. E.; Nozik, A. J.; Ratner, M. A.; Michl, J. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16546-16553.
44. Greyson, E. C.; Vura-Weis, J.; Michl, J.; Ratner, M. A. J. Phys. Chem. B, in press.
45. Johnson, J. C.; Akdag, A.; Chen, X.; Smith, M. B.; Schwerin, A. F.; Paci, I.; Nozik, A. J.; Ratner, M. A.; Michl, J., unpublished results.
46. Schulten, K. Chem. Phys. Lett. 1972, 14, 305-309.
47. Dunning, T. H., Jr.; Hosteny, R. P.; Shavitt, I. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 5067-5068.
48. Hosteny, R. P.; Dunning, T. H.; Gilman, R. R.; Pipano, A.; Shavitt, I. J. Chem. Phys. 1975, 62, 4764-4779.
49. Dexter, D. L. J. Chem. Phys. 1953, 21, 836-850.
50. Marcus, R. A. J. Chem. Phys. 1956, 24, 966-978.
51. Coulson, C. A.; Rushbrooke, G. S. Proc. Cambridge Philos. Soc. 1940, 36, 193-200.
52. Pariser, R.; Parr, R. G. J. Chem. Phys. 1953, 21, 466-471.
53. Pople, J. A. Trans. Faraday Soc. 1953, 49, 1375-1385.
54. Castellan, A.; Michl, J. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 6824-6827.
55. Shao, Y.; Molnar, L. F.; Jung, Y.; Kussmann, J.; Ochsenfeld, C.; Brown, S. T.; Gilbert, A. T. B.; Slipchenko, L. V.; Levchenko, S. V.; O'Neill, D. P.; DiStasio, R. A.; Lochan, R. C.; Wang, T.; Beran, G. J. O.; Besley, N. A.; Herbert, J. M.; Lin, C. Y.; Van Voorhis, T.; Chien, S. H.; Sodt, A.; Steele, R. P.; Rassolov, V. A.; Maslen, P. E.; Korambath, P. P.; Adamson, R. D.; Austin, B.; Baker, J.; Byrd, E. F. C.; Dachsel, H.; Doerksen, R. J.; Dreuw, A.; Dunietz, B. D.; Dutoi, A. D.; Furlani, T. R.; Gwaltney, S. R.; Heyden, A.; Hirata, S.; Hsu, C. P.; Kedziora, G.; Khalliulin, R. Z.; Klunzinger, P.; Lee, A. M.; Lee, M. S.; Liang, W.; Lotan, I.; Nair, N.; Peters, B.; Proynov, E. I.; Pieniazek, P. A.; Rhee, Y. M.; Ritchie, J.; Rosta, E.; Sherrill, C. D.; Simmonett, A. C.; Subotnik, J. E.; Woodcock, H. L.; Zhang, W.; Bell, A. T.; Chakraborty, A. K.; Chipman, D. M.; Keil, F. J.; Warshel, A.; Hehre, W. J.; Schaefer, H. F.; Kong, J.; Krylov, A. I.; Gill, P. M. W.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3172-3191.
56. Ahlrichs, R.; Bar, M.; Haser, M.; Horn, H.; Kolmel, C. Chem. Phys. Lett. 1989, 162, 165-169.
57. Bylaska, E. J.; de Jong, W. A.; Kowalski, K.; Straatsma, T. P.; Wang, M. V. D.; Aprà, E.; Hirata, T. L. W. S.; Hackler, M. T.; Zhao, Y.; Fan, P.-D.; Harrison, R. J.; Dupuis, M.; Smith, D. M. A.; Nieplocha, J.; Tipparaju, V.; Krishnan, M.; Auer, A. A.; Nooijen, M.; Brown, E.; Cisnerosand, G.; Fann, G. I.; Früchtl, H.; Garza, J.; Hirao, K.; Kendall, R.; Nichols, J. A.; Tsemekhman, K.; Wolinski, K.; Anchell, J.; Bernholdt, D.; Borowski, P.; Clark, T.; Clerc, D.; Dachsel, H.; Deegan, M.; Dyall, K.; Elwood, D.; Glendening, E.; Gutowski, M.; Hess, A.; Jaffe, J.; Johnson, B.; Ju, J.; Kobayashi, R.; Kutteh, R.; Lin, Z.; Littlefield, R.; Meng, X. L. B.; Nakajima, T.; Ni, S.; Pollack, L.; Rosing, M.; Sandrone, G.; Stave, M.; Thomas, H. T. G.; van Lenthe, J.; Wong, A.; Zhang, Z. NWChem 5.0, version 5.0 ed.; Laboratory, P. N. N., Ed.; Richland, Washington, USA, 2006.
58. Kendall, R. A.; Apra, E.; Bernholdt, D. E.; Bylaska, E. J.; Dupuis, M.; Fann, G. I.; Harrison, R. J.; Ju, J. L.; Nichols, J. A.; Nieplocha, J.; Straatsma, T. P.; Windus, T. L.; Wong, A. T. Comput. Phys. Commun. 2000, 128, 260-283.
59. Brédas, J. L.; Beljonne, D.; Coropceanu, V.; Cornil, J. Chem. Rev. 2004, 104, 4971-5003.
60. Hoffmann, R. Acc. Chem. Res. 1971, 4, 1-9.
61. Schwerin, A. F.; Johnson, J. C.; Smith, M. B.; Sreearunothai, P.; Popović, D.; Černý, J.; Havias, Z.; Paci, I.; Akdag, A.; MacLeod, M. K.; Chen, X.; David, D. E.; Ratner, M. A.; Miller, J. R.; Nozik, A. J.; Michl, J. J. Chem. Phys. A, in press.
62. Coquet, R.; Willock, D. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3819-3828.
63. Kobko, N.; Masunov, A.; Tretiak, S. Chem. Phys. Lett. 2004, 392, 444-451.
64. Lambert, C.; Risko, C.; Coropceanu, V.; Scheiter, J.; Amthor, S.; Gruhn, N. E.; Durivage, J. C.; Brédas, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8508-8516.
65. Lundberg, M.; Siegbahn, P. E. M. J. Chenu Phys. 2005, 122, 224103-1-224103-9.
66. Pacchioni, G.; Frigoli, F.; Ricci, D.; Weil, J. A. Phys. Rev. B 2001, 6305, 054102-1-054102-8.
67. Periasamy, N.; Santhanam, K. S. V. Chem. Phys. Lett. 1977, 57, 442-446.
68. Stevens, B. Chem. Phys. Lett. 1969, 5, 233-236.
69. Marques, M. A. L.; Gross, E. K. U. Ann. Revs. Phys. Chem. 2004, 55, 427-455.
70. Marques, M. A. L.; Ullrich, C. A.; Nogueira, F.; Rubio, A. Time Dependent Density Functional Theory (Lecture Notes in Physics); Springer: Berlin, 2006.
71. Grimme, S.; Parac, M. ChemPhysChem. 2003, 4, 292-295.
72. Parac, M.; Grimme, S. Chem. Phys. 2003, 292, 11-21.