Cobalt electrolyte/dye interactions in dye-sensitized solar cells: A combined computational and experimental study

Journal of the American Chemical Society

Volumn 134, Issue 47, 2012, Pages 19438-19453

  Mosconi, Edoardo ^a   Yum, Jun Ho ^b   Kessler, Florian ^b   Gómez García, Carlos J ^c   Zuccaccia, Cristiano ^d   Cinti, Antonio ^a,d   Nazeeruddin, Mohammad K ^b   Grätzel, Michael ^b   De Angelis, Filippo ^a  

^a CNR   (Italy)

^b Chemistry Section   (Switzerland)

^c UNIVERSITY OF VALENCIA   (Spain)

^d UNIVERSITY OF PERUGIA   (Italy)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AB INITIO MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION; ALKOXY CHAINS; COBALT COMPLEXES; COBALT-BASED; COMPUTATIONAL INVESTIGATION; DYE REGENERATION; DYE-SENSITIZED SOLAR CELL; DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS; ELECTRON LIFETIME; ENERGY DIFFERENCES; EXPERIMENTAL STUDIES; HIGH PROBABILITY; INJECTED ELECTRONS; LIGAND SUBSTITUTION; MARCUS THEORY; METAL COORDINATION; N719 DYE; ORGANIC DYE; PHOTO-VOLTAIC EFFICIENCY; REACTION PATHWAYS; REDOX MEDIATORS; REDOX SHUTTLE; REGENERATION PATHWAY; REORGANIZATION ENERGIES; RUTHENIUM DYE; STRUCTURE/PROPERTY RELATIONS; TIO;

COBALT; COORDINATION REACTIONS; ELECTROLYTES; HYDRAULIC STRUCTURES; IODINE; MOLECULAR DYNAMICS; PHOTOELECTROCHEMICAL CELLS; RUTHENIUM; RUTHENIUM COMPOUNDS; SOLAR CELLS; TITANIUM DIOXIDE;

COBALT COMPOUNDS;

COBALT; IODINE; RUTHENIUM; RUTHENIUM DYE; TITANIUM DIOXIDE; UNCLASSIFIED DRUG;

ARTICLE; CHEMICAL INTERACTION; CHEMICAL REACTION; DYE SENSITIZED SOLAR CELL; ELECTRON; EXPERIMENTAL STUDY; MOLECULAR DYNAMICS; OXIDATION; SOLAR ENERGY;

EID: 84870319571     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja3079016     Document Type: Article

References (103)

1. ORegan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737-740
2. Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L.; Kloo, L.; Pettersson, H. Chem. Rev. 2010, 110, 6595-6663
3. Grätzel, M. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1788-1798
4. Grätzel, M. Nature 2001, 414, 338-344
5. Murakoshi, K.; Kano, G.; Wada, Y.; Yanagida, S.; Miyazaky, H.; Matsumoto, M.; Murasawa, S. J. Electronal. Chem. 1995, 396, 27-34
6. Bach, U.; Lupo, D.; Comte, P.; Moser, J. E.; Weissortel, F.; Salbeck, J.; Spreitzer, H.; Grätzel, M. Nature 1998, 395, 583-585
7. Hagfeldt, A.; Didriksson, B.; Palmquist, T.; Lindström, H.; Södergren, S.; Rensmo, H.; Lindsquist, S. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1994, 31, 481-488
8. Boschloo, G.; Lindström, J; Magnussom, E.; Holmberg, A.; Hagfeldt, A. J. Photochem. Photobiol. A 2002, 148, 11-15
9. Nazeeruddin, M.; Kay, A.; Rodicio, I.; Humphry-Baker, R.; Muller, E.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382-6390
10. Nazeeruddin, M.; Pechy, P.; Renouard, T.; Zakeeruddin, S.; Humphry-Baker, R.; Comte, P.; Liska, P.; Cevey, L.; Costa, E.; Shklover, V.; Spiccia, L.; Deacon, G. B.; Bignozzi, C. A.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1613-1624
11. Nazeeruddin, M.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; Takeru, B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835-16847
12. Fukui, A.; Ryoichi, K.; Yamanaka, R.; Islam, A.; Han, L. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2006, 90, 649-658
13. Lee, K. M.; Suryanarayanan, V.; Ho, K. C. J. Power Sources 2009, 188, 635-641
14. Liyuan, H.; Ashraful, I.; Han, C.; Chandrasekharam, M.; Barreddi, C.; Shufang, Z.; Xudong, Y.; Masatoshi, Y. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6057-6060
15. Zeng, W.; Cao, Y.; Bai, Y.; Wang, Y.; Shi, Y.; Zhang, M.; Wang, F.; Pan, C.; Wang, P. Chem. Mater. 2010, 22, 1915-1925
16. Rowley, J. G.; Farnum, B. H.; Ardo, S.; Meyer, G. J. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3132-3140
17. Boschloo, G.; Hagfeldt, A. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1819-1826
18. ORegan, B. C.; Walley, K.; Juozapavicius, M.; Anderson, A.; Matar, F.; Ghaddar, T.; Zakeeruddin, S. M.; Klein, C.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3541-3548
19. Matar, F.; Ghaddar, T. H.; Walley, K.; DosSantos, T.; Durrant, J. R.; ORegan, B. J. Mater. Chem. 2008, 18, 4246-4253
20. Wang, M. K.; Chamberland, N.; Breau, L.; Moser, J. E.; Humphry-Baker, R.; Marsan, B.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Nat. Chem. 2010, 2, 385-389
21. Tian, H. N.; Jiang, X. A.; Yu, Z.; Kloo, L.; Hagfeldt, A.; Sun, L. C. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 7328-7331
22. Li, D. M.; Li, H.; Luo, Y. H.; Li, K. X.; Meng, Q. B.; Armand, M.; Chen, L. Q. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3358-3365
23. Liu, Y. R.; Jennings, J. R.; Parameswaran, M.; Wang, Q. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 564-571
24. Daeneke, T.; Kwon, T.-H.; Holmes, A. B.; Duffy, N. W.; Bach, U.; Spiccia, L. Nat. Chem. 2011, 3, 211-215
25. Li, T. C.; Spokoyny, A. M.; She, C. X.; Farha, O. K.; Mirkin, C. A.; Marks, T. J.; Hupp, J. T. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4580-4582
26. Sapp, S. A.; Elliott, C. M.; Contado, C.; Caramori, S.; Bignozzi, C. A. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11215-11222
27. Nusbaumer, H.; Zakeeruddin, S. M.; Moser, J. E.; Grätzel, M. Chem. Eur. J. 2003, 9, 3756-3763
28. Feldt, S. M.; Gibson, E. A.; Gabrielsson, E.; Sun, L.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16714-16724
29. Cameron, P. J.; Peter, L. M.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 1447-1453
30. Yum, J.-H.; Baranoff, E.; Kessler, F.; Moehl, T.; Ahmad, S.; Bessho, T.; Marchioro, A.; Ghadiri, E.; Moser, J.-E.; Yi, C.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. Nat. Commun. 2012, 3, 631
31. Yella, A.; Lee, H.-W.; Tsao, H. N.; Yi, C.; Chandiran, A. K.; Nazeeruddin, Md. K.; Diau, E. W.-G.; Yeh, C.-Y.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Science 2011, 334, 629-634
32. Liu, Y.; Jennings, J. R.; Huang, Y.; Wang, Q.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 18847-18855
33. Nusbaumer, H.; Moser, J. E.; Zakeeruddin, S. M.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 10461-10464
34. Nelson, J. J.; Amick, T. J.; Elliott, C. M. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 18255-18263
35. Tsao, H. N.; Yi, C.; Moehl, T.; Yum, J.-H.; Zakeeruddin, S. M.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. ChemSusChem 2011, 4, 591-594
36. Ondersma, J. W.; Hamann, T. W. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 638-645
37. Feldt, S. M.; Wang, G.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 21500-21507
38. Gibson, E. A.; Smeigh, A. L.; Le Pleux, L.; Hammarström, L.; Odobel, F.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 9772-9779
39. DeVries, M. J.; Pellin, M. J.; Hupp, J. T. Langmuir 2010, 26, 9082-9087
40. Nazeeruddin, Md. K.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; Takeru, B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835-16847
41. Buscaino, R.; Baiocchi, C.; Barolo, C.; Medana, C.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K.; Viscardi, G. Inorg. Chim. Acta 2008, 361, 798-805
42. Nazeeruddin, M. K.; Amirnasr, M.; Comte, P.; Mackay, J. R.; McQuillan, A. J.; Houriet, R.; Grätzel, M. Langmuir 2000, 16, 8525-8528
43. De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A. Nanotechnology 2008, 19, 424002
44. Krivokapic, I.; Zerara, M.; Dakua, M. L.; Vargas, A.; Enachescu, C.; Ambrusc, C.; Tregenna-Piggott, P.; Amstutz, N.; Krausz, E.; Hauser, A. Coord. Chem. Rev. 2007, 251, 364-378
45. Goodwin, H. A Top. Curr. Chem. 2004, 243, 23-47
46. Vargas, A.; Zerara, M.; Krausz, E.; Hauser, A.; Daku, L. M. L. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 1342-1359
47. Newton, M. D. Coord. Chem. Rev. 2003, 238, 167-185
48. Marcus, R. A. J. Chem. Phys. 1956, 24, 966-978
49. Newton, M. D.; Sutin, N. Annu. Rev. Phys. Chem. 1984, 35, 437-480
50. Buhks, E.; Bixon, M.; Jortner, J.; Navon, G. Inorg. Chem. 1979, 18, 2014-2018
51. Larsson, S.; Ståhl, K.; Zerner, M. C. Inorg. Chem. 1986, 25, 3033-3037
52. Newton, M. D. J. Phys. Chem. 1986, 90, 3734-3739
53. Newton, M. D. J. Phys. Chem. 1991, 95, 30-38
54. Torieda, H.; Yoshimura, A.; Nozaki, K.; Sakai, S.; Ohno, T. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 11034-11044
55. Torieda, H.; Nozaki, K.; Yoshimura, A.; Ohno, T. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 4819-4829
56. Nozaki, K.; Yishimura, A.; Ohno, T. Proc. Indian Acad. Sci. (Chem. Sci.) 1993, 105, 495-503
57. Song, X.; Lei, Y.; Wallendal, S. V.; Perkovic, M. W.; Jackman, D. C.; Endicott, J. F.; Rillema, D. P. J. Phys. Chem. 1993, 97, 3225-3236
58. Creutz, C. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6713-6717
59. Isied, S. S.; Vassilian, A.; Wishart, J. F.; Creutz, C.; Schwarz, H. A.; Sutin, N. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 635-637
60. Endicott, J. F.; Song, X.; Watzky, M. A.; Buranda, T. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1994, 82, 181-190
61. Yoshimura, A.; Uddin, Md. J.; Amasaki, N.; Ohno, T. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 10846-10853
62. Perdew, J.; P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868
63. QUANTUM-ESPRESSO: Giannozzi, P.; Baroni, S.; Bonini, N.; Calandra, M.; Car, R.; Cavazzoni, C.; Ceresoli, D.; Chiarotti, G. L.; Cococcioni, M.; Dabo, I.; Dal Corso, A.; de Gironcoli, S.; Fabris, S.; Fratesi, G.; Gebauer, R.; Gerstmann, U.; Gougoussis, C.; Kokalj, A.; Lazzeri, M.; Martin-Samos, L.; Marzari, N.; Mauri, F.; Mazzarello, R.; Paolini, S.; Pasquarello, A.; Paulatto, L.; Sbraccia, C.; Scandolo, S.; Sclauzero, G.; Seitsonen, A. P.; Smogunov, A.; Umari, P.; Wentzcovitch, R. M. J. Phys.: Condens. Matter 2009, 21, 395502
64. Martsinovich, N.; Jones, D. R.; Troisi, A. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 22659-22670
65. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, J. M.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, Ö.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, Revision A.1; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2009.
66. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652
67. Cossi, M.; Barone, V. J. Chem. Phys. 2001, 115, 4708-4717
68. Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Barone, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669-681
69. McLean, A. D.; Chandler, G. S. J. Chem. Phys. 1980, 72, 5639-5648
70. Raghavachari, K.; Binkley, J. S.; Seeger, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1980, 72, 650-654
71. Dunning, T. H., Jr.; Hay, P. J. In Modern Theoretical Chemistry; Schaefer, H. F., III, Ed.; Plenum: New York, 1976; Vol. 3, pp 1-28.
72. Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 270-283
73. Wadt, W. R.; Hay, P. J. J. Chem. Phys. 1985, 82, 284-298
74. Hay, P. J.; Wadt, W. R. J. Chem. Phys. 1985, 82, 299-311
75. Reiher, O.; Salomon, O.; Hess, B. A. Theor. Chem. Acc. 2001, 107, 48-55
76. Fantacci, S.; De Angelis, F. Coord. Chem. Rev. 2011, 255, 2704-2726
77. Krist, K.; Gafney, H. D. J. Phys. Chem. 1982, 86, 951-958
78. Nazeeruddin, Md. K.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Jirousek, M.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Shklover, V.; Fischer, C.-H.; Grätzel, M. Inorg. Chem. 1999, 38, 6298-6305
79. Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Moser, J. E.; Nazeeruddin, Md. K.; Sekiguchi, T.; Grätzel, M. Nat. Mater. 2003, 2, 402-407
80. Hagberg, D. Doctoral Thesis, KTH, 2009.
81. Yum, J.-H.; Hagberg, D. P.; Moon, S.-J.; Karlsson, K. M.; Marinado, T.; Sun, L.; Hagfeldt, A.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 1576-1580
82. Moon, S.-J.; Yum, J.-H.; Humphry-Baker, R.; Karlsson, K. M.; Hagberg, D. P.; Marinado, T.; Hagfeldt, A.; Sun, L.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, Md. K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 16816-16820
83. Ito, S.; Murakami, T. N.; Comte, P.; Liska, P.; Grätzel, C.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Thin Solid Films 2008, 516, 4613-4619
84. ORegan, B. C.; Lenzmann, F. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 4342-4350
85. Marcus, Y.; Hefter, G. Chem. Rev. 2006, 106, 4585-4621
86. Bottomley, G. A.; Glossop, L. G. J. Electroanal. Chem. 1981, 118, 433
87. Duffy, N. W.; Peter, L. M.; Rajapakse, R. M. G.; Wijayantha, K. G. U. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8916-8919
88. De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 6054-6061
89. De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14156-14157
90. Griffith, M. J.; James, M.; Triani, G.; Wagner, P.; Wallace, G. G.; Officer, D. L. Langmuir 2011, 27, 12944-12950
91. Tribolet, R.; Malini-Balakrishnan, R.; Sigel, H. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1985, 2291-2303
92. Newcomb, L. F.; Gellman, S. H. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 4993-4994
93. McGaughey, G. B.; Gagné, M.; Rappé, A. K. J. Biol. Chem. 1998, 273, 15458-15463
94. Clifford, J. N.; Palomares, E.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M.; Durrant, J. R. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6561-6567
95. Lobello, M. G.; Fantacci, S.; De Angelis, F. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 18863-18872
96. Shi, Z.; Peng, J.; Gómez-García, C. J.; Benmansour, S.; Gu, X. J. Solid State Chem. 2006, 179, 253-265
97. Humphrey, S. M.; Alberola, A.; Gómez-García, C. J.; Wood, P. T. Chem. Commun. 2006, 1607-1609
98. Gómez-García, C. J.; Coronado, E.; Borrás-Almenar, J. J. Inorg. Chem. 1992, 31, 1667-1673
99. Benmansour, S.; Setifi, F.; Gómez-García, C. J.; Triki, S.; Coronado, E.; Salaün, J. Y. J. Mol. Struct. 2008, 890, 255-262
100. Liu, H.; Gómez-García, C. J.; Peng, J.; Sha, J.; Wanga, L; Yan, Y. Inorg. Chim. Acta 2009, 362, 1957-1962
101. Lloret, F.; Julve, M.; Cano, J.; Ruiz-García, R.; Pardo, E. Inorg. Chim. Acta 2008, 361, 3432-3445
102. Ahmad, S.; Bessho, T.; Kessler, F; Baranoff, E.; Frey, J.; Chenyi, Yi, C.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 10631-10639
103. Kashif, M. K.; Axelson, J. C.; Duffy, N. W.; Forsyth, C. M.; Chang, C. J.; Long, J. R.; Spiccia, L.; Bach, U. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16646-16653