Nano-crystalline solar-cells investigated with ab initio simulations


Project leader


Project Details


Description

Svensk sammanfattning

I kampen mot tiden för att motverka eller dämpa klimatförändringarna är det viktigt att satsa på många olika alternativa energikällor. Färgämnessensiterade nanokristllina solceller är ett kostnadseffektivt alternativ till traditionellt halvledarebaserade solceller. Dessa solceller byggs upp av porösa titandioxidfilmer och är mycket billiga att framställa. På titandioxiden adsorberas färgämnesmolekyler som ökar absorptionen av synligt och infrarött ljus.

I detta projekt kommer jag att utveckla teoretiska modeller för att undersöka färgämnens elektroniska egenskaper och hur elektronöverföringen till färdämnet går till. Förhoppningen är att genom förståelse av reaktionsmekanismerna kunna bidra till att finna mer effektiva alternativ. Systemet kommer att modelleras med molekyldynamiksimuleringar och kvantkemiska beräkningar kommer att användas för att undersöka olika reaktionsvägar. Med simuleringar av Röntgen spektra utgående från de molekylära strukturerna kan man jämföra direkt med experiment på fungerande solceller. I nära samarbete med experiment kan de teoretiska modellerna förfinas och det teoretiska resultaten kan bekräftas experimentellt. I förlängningen skulle man således kunna använda teoretiska metoder för att med kombinatorisk kemi välja ut potentiella förbättringar.

English summary

In the search for renewable energy sources, many different devices are being explored. Dye-sensitised nano-crystalline solar-cells are cheap alternatives to the more traditional solid state systems and might play a key role in a future sustainable society. They consist of a semiconductor powder with a large surface area at which dye molecules are attached. The dye increases the absorption of visible sun light and initiates a charge separation process giving a photocurrent. The dye needs to be regenerated to complete the photocycle by recapturing an electron. The electron is mediated through an electrolyte by a iodide redox couple.

In a close collaboration with spectroscopy experiments, I we use classical and ab initio molecular dynamics simulation, electronic structure calculations and spectrum simulations to reveal information on the different components of the dye-sensitised nano-crystalline solar-cells.

English article

In a continued close collaboration with spectroscopy experiments, we use classical and ab initio molecular dynamics simulation, electronic structure calculations and spectrum simulations to reveal information on the different components of the dye-sensitised nano-crystalline solar-cells.

We have developed a broad experience with the computational tools and interpretation of x-ray spectra which allows us to give valuable input for optimisation of the devices. This project is driven by the need to understand the properties of new dye molecules, such as transition metal complexes and organic dyes, and new hole-conductors. Both the electronic properties and the structure and interaction with their surrounding are examined. Stimulated by recent discussion about the function of the triiodide/iodide redox couple, The graduate student Ida Josefsson is responsible for a separate project on the chemical processes occurring on the reduction of the photo-oxidised dye molecular and cycle of the I3-/I- redox couple. Different mechanisms for regeneration of the dye molecule by electron transfer from the redox couple will be evaluated based on transition state search and path sampling in the presence of the solvent. The voltage under illumination comes from the difference between the Fermi level of the injected electron in the semiconductor and the redox potential in the electrolyte. Even a small increase in the photo-voltage would result in a tremendous increase the overall solar conversion yield.

The electronic structure of the dyes are calculated and evaluated against x-ray spectroscopy. The redox couple in the electrolyte is investigated by molecular dynamics simulations of the solvation of the iodide species and simulations of photoemission spectra in solution.


External Partners


Last updated on 2017-23-03 at 08:59