Elementary photoelectronic processes at a porphyrin dye/single-walled TiO2 nanotube hetero-interface in dye-sensitized solar cells: A first-principles study

Chemistry - A European Journal

Volumn 19, Issue 30, 2013, Pages 10046-10056

  Dong, Cunku ^a,b   Li, Xin ^a   Zhao, Wei ^a   Jin, Pengfei ^a   Fan, Xiujuan ^a   Qi, Jingyao ^a  

^a HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (China)

^b MONASH UNIVERSITY   (Australia)

Author keywords

ab initio calculations; dye sensitized solar cells; electron transport; interfacial electron transfer; solar cells; theoretical simulation; titania nanotubes

Indexed keywords

AB INITIO CALCULATIONS; DYE-SENSITIZED SOLAR CELL; ELECTRON TRANSPORT; INTERFACIAL ELECTRON TRANSFER; THEORETICAL SIMULATION; TITANIA NANOTUBES;

CALCULATIONS; CONDUCTION BANDS; ELECTRON TRANSITIONS; ELECTRON TRANSPORT PROPERTIES; NANOTUBES; PHOTOELECTROCHEMICAL CELLS; PORPHYRINS; QUANTUM CHEMISTRY; THREE DIMENSIONAL; TITANIUM DIOXIDE;

SOLAR CELLS;

EID: 84880282374     PISSN: 09476539     EISSN: 15213765     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/chem.201301035     Document Type: Article

References (102)

1. P. V. Kamat, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 2834.
2. B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737
3. A. Hagfeldt, M. Grätzel, Acc. Chem. Res. 2000, 33, 269
4. M. K. Nazeeruddin, F. De Angelis, S. Fantacci, A. Selloni, G. Viscardi, P. Liska, S. Ito, B. Takeru, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835
5. D. Zhang, T. Yoshida, T. Oekermann, K. Furuta, H. Minoura, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1228
6. S. Iwamoto, Y. Sazanami, M. Inoue, T. Inoue, T. Hoshi, K. Shigaki, M. Kaneko, A. Maenosono, ChemSusChem 2008, 1, 401
7. S.-R. Li, C.-P. Lee, H.-T. Kuo, K.-C. Ho, S.-S. Sun, Chem. Eur. J. 2012, 18, 12085
8. G. Gryn'ova, J. M. Barakat, J. P. Blinco, S. E. Bottle, M. L. Coote, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7582.
9. A. Yella, H.-W. Lee, H. N. Tsao, C. Yi, A. K. Chandiran, Md. K. Nazeeruddin, E. W.-G. Diau, C.-Y. Yeh, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, Science 2011, 334, 629.
10. A. Hagfeldt, G. Boschloo, L. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Chem. Rev. 2010, 110, 6595.
11. A. Reynal, A. Forneli, E. Martinez-Ferrero, A. Sánchez- Díaz, A. Vidal-Ferran, B. C. O'Regan, E. Palomares, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13558.
12. J. Jiu, S. Isoda, F. Wang, M. Adachi, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2087
13. Q. Huang, G. Zhou, L. Fang, L. Hu, Z.-S. Wang, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2145
14. W. Guo, C. Xu, X. Wang, S. Wang, C. Pan, C. Lin, Z. L. Wang, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4437.
15. X. Feng, K. Shankar, O. K. Varghese, M. Paulose, T. J. Latempa, C. A. Grimes, Nano Lett. 2008, 8, 3781
16. E. Enache-Pommer, B. Liu, E. S. Aydil, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 9648
17. A. Kumar, A. R. Madaria, C. Zhou, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 7787.
18. P. Roy, D. Kim, K. Lee, E. Spiecker, P. Schmuki, Nanoscale 2010, 2, 45
19. B. X. Lei, J. Y. Liao, R. Zhang, J. Wang, C. Y. Su, D. B. Kuang, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 15228
20. P.-T. Hsiao, Y.-J. Liou, H. Teng, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 15018
21. Q. Zheng, H. Kang, J. Yun, J. Lee, J. H. Park, S. Baik, ACS Nano 2011, 5, 5088.
22. J. M. Macak, H. Tsuchiya, A. Ghicov, K. Yasuda, R. Hahn, S. Bauer, P. Schmuki, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2007, 11, 3.
23. D. Kuang, J. Brillet, P. Chen, M. Takata, S. Uchida, H. Miura, K. Sumioka, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, ACS Nano 2008, 2, 1113.
24. C. Richter, C. A. Schmuttenmaer, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 769.
25. C. Dong, X. Li, X. Fan, J. Qi, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 639
26. C. Dong, X. Li, J. Qi, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 20307.
27. P. Roy, S. Berger, P. Schmuki, Angew. Chem. 2011, 123, 2956
28. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2904.
29. Q. Chen, W. Zhou, G. Du, L.-M. Peng, Adv. Mater. 2002, 14, 1208.
30. W. R. Duncan, W. M. Stier, O. V. Prezhdo, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7941
31. M. Nilsing, P. Persson, S. Lunell, L. Ojamäe, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 12116
32. F. De Angelis, S. Fantacci, A. Sgamellotti, Theor. Chem. Acc. 2007, 117, 1093
33. Y. Kurashige, T. Nakajima, S. Kurashige, K. Hirao, Y. Nishikitani, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 5544
34. F. De Angelis, S. Fantacci, A. Selloni, Nanotechnology 2008, 19, 424002
35. M. P. Balanay, D. H. Kim, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 5121
36. T. Le Bahers, T. Pauporté, G. Scalmani, C. Adamo, I. Ciofini, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 11276
37. R. Ma, P. Guo, L. Yang, L. Guo, Q. Zeng, G. Liu, X. Zhang, J. Mol. Struct. THEOCHEM 2010, 942, 131
38. C. R. Zhang, Z. J. Liu, Y. H. Chen, H. S. Chen, Y. Z. Wu, W. J. Feng, D. B. Wang, Curr. Appl. Phys. 2010, 10, 77
39. X. Lu, C. Man, L. Wu, S. Wei, W. Guo, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 1178
40. H. Cui, R. Ma, P. Guo, Q. Zeng, G. Liu, X. Zhang, J. Mol. Model. 2010, 16, 303.
41. L. Schmidt-Mende, W. M. Campbell, Q. Wang, K. W. Jolley, D. L. Officer, Md. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, ChemPhysChem 2005, 6, 1253
42. N. Robertson, Angew. Chem. 2006, 118, 2398
43. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2338.
44. R. A. Marcus, J. Chem. Phys. 1956, 24, 966
45. R. A. Marcus, J. Chem. Phys. 1956, 24, 979
46. R. A. Marcus, J. Chem. Phys. 1957, 26, 867
47. P. W. Anderson, Phys. Rev. 1961, 124, 41
48. D. Newns, Phys. Rev. 1969, 178, 1123.
49. Md. K. Nazeeruddin, R. Humphry-Baker, D. L. Officer, W. M. Campbell, A. K. Burrel, M. Grätzel, Langmuir 2004, 20, 6514.
50. A. V. Bandura, R. A. Evarestov, Surf. Sci. 2009, 603, L117.
51. F. Nunzi, F. De Angelis, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2179.
52. X. Q. Gong, A. Selloni, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 19560.
53. M. Pastore, F. De Angelis, ACS Nano 2010, 4, 556.
54. M. K. Nazeeruddin, R. Humphry-Baker, P. Liska, M. Grätzel, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8981.
55. P. Chen, J. H. Yum, F. De Angelis, E. Mosconi, S. Fantacci, S.-J. Moon, R. Humphry-Baker, J. Ko, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, Nano Lett. 2009, 9, 2487.
56. F. De Angelis, S. Fantacci, A. Selloni, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 6054.
57. A. Calzolari, A. Ruini, A. Catellani, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5893.
58. B. C. O'Regan, J. R. Durrant, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1799.
59. M. Nilsing, P. Persson, L. Ojamäe, Chem. Phys. Lett. 2005, 415, 375
60. C. O'Rourke, D. R. Bowler, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 20240
61. F. Labat, I. Ciofini, H. P. Hratchian, M. J. Frisch, K. Raghavachari, C. Adamo, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 4297
62. A. R. R. Neto, H. W. Leite Alves, Phys. Status Solidi C 2010, 7, 308.
63. R. Ma, P. Guo, H. Cui, X. Zhang, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, J. Phys. Chem. A 2009, 113, 10119
64. R. Ma, P. Guo, L. Yang, L. Guo, X. Zhang, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 1973.
65. P. Tiwana, P. Docampo, M. B. Johnston, H. J. Snaith, L. M. Herz, ACS Nano 2011, 5, 5158.
66. G C. L. Rego, S. V. Batista, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 7989.
67. M. Grätzel, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1788.
68. R. A. Marcus, N. Sutin, Biochim. Biophys. Acta Rev. Bioenerg. 1985, 811, 265.
69. W. A. Tisdale, X.-Y. Zhu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 965.
70. J. Preat, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 16716
71. J. Preat, D. Jacquemin, C. Michaux, E. A. Perpète, Chem. Phys. 2010, 376, 56
72. J. Preat, A. Hagfeldt, E. A. Perpète, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4537.
73. V. Lemaur, M. Steel, D. Beljonne, J. L. Brédas, J. Cornil, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 6077.
74. C.-P. Hsu, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 509.
75. W. R. Duncan, C. F. Craig, O. V. Prezhdo, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8528
76. R. Long, O. V. Prezhdo, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19240.
77. H. Gerischer, F. Willig, Top. Curr. Chem. 1976, 61, 31
78. H. Gerischer, Photochem. Photobiol. 2008, 16, 243
79. H. Gerischer, Surf. Sci. 1969, 18, 97.
80. C. Anselmi, E. Mosconi, M. Pastore, E. Ronca, F. De Angelis, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 15963.
81. M. J. Lundqvist, M. Nilsing, P. Persson, S. Lunell, Int. J. Quantum Chem. 2006, 106, 3214
82. M. J. Lundqvist, M. Nilsing, S. Lunell, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20513
83. J. Li, M. Nilsing, I. Kondov, H. Wang, P. Persson, S. Lunell, M. Thoss, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 12326
84. F. Labat, I. Ciofini, H. P. Hratchian, M. Frisch, K. Raghavachari, C. Adamo, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 14290.
85. P. Persson, M. J. Lundqvist, R. Ernstorfer, W. A. Goddard, F. Willig, J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 441.
86. N. Cai, S. J. Moon, L. Cevey-Ha, T. Moehl, R. Humphry-Baker, P. Wang, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, Nano Lett. 2011, 11, 1452.
87. J. R. Jennings, A. Ghicov, L. M. Peter, P. Schmuki, A. B. Walker, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13364.
88. M. Jankulovska, T. Berger, S. S. Wong, R. Gõmez, T. Lana-Villarreal, ChemPhysChem 2012, 13, 3008
89. N. Beermann, G. Boschloo, A. Hagfeldt, J. Photochem. Photobiol. A 2002, 152, 213.
90. F. M. Hossain, A. V. Evteev, I. V. Belova, J. Nowotny, G. E. Murch, Comput. Mater. Sci. 2010, 48, 854.
91. Gaussian 03, Revision E.01, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, J. A. Montgomery, Jr., T. Vreven, K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, J. A. Pople, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.
92. A. D. J. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648
93. C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
94. J. S. Binkley, J. A. Pople, W. J. Hehre, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 939
95. M. S. Gordon, J. S. Binkley, J. A. Pople, W. J. Pietro, W. J. Hehre, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 2797.
96. E. Runge, E. K. U. Gross, Phys. Rev. Lett. 1984, 52, 997.
97. N. M. O'Boyle, A. L. Tenderholt, K. M. Langner, J. Comput. Chem. 2008, 29, 839.
98. S. Datta, Electronic Transport in Mesoscopic Systems, Cambridge University Press, Cambridge, 1995
99. A. R. Rocha, V. Garcia-Suarez, S. W. Bailey, C. J. Lambert, J. Ferrer, S. Sanvito, Phys. Rev. B 2006, 73, 085414.
100. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
101. N. Troullier, J. L. Martins, Phys. Rev. B 1991, 43, 1993.
102. M. Brandbyge, J. Mozos, P. Ordejõn, J. Taylor, K. Stokbro, Phys. Rev. B 2002, 65, 165401.