Modelagem molecular de efeitos de solvente em processos físico-químicos em célula solar orgânica - Lima, Ricardo de (2022)
Nos últimos anos, a busca por fontes alternativas de energia tem estado cada vez mais em destaque, principalmente devido à preocupação global com os gases de efeito estufa. Nesse cenário, as células solares de corantes fotossensíveis aparecem como uma alternativa. Neste trabalho estudamos com métodos teóricos três corantes orgânicos fotossensíveis pertencentes à classe das dialquilanilinas, com principal foco no corante NKX-2553 (2-cyano-5-(4-dimethylaminophenyl) penta-2,4-dienoic acid). Realizamos cálculos com métodos híbridos que utilizam mecânica quântica e mecânica molecular para compreender os efeitos de solvente acetonitrila nos processos físico-químicos de absorção de luz visível, oxidação do corante e sua restauração através da interação com o eletrólito (iodeto). Também analisamos como o ancoramento em nanopartículas de TiO2 afetam estes processos. Inicialmente, realizamos uma parametrização clássica do campo de força OPLS para os corantes e uma vez estabelecido os parâmetros, simulações clássicas foram realizadas considerando o corante em solução de acetonitrila. Com configurações soluto-solvente geradas nas simulações, realizamos cálculos quânticos para obter as energias de excitação eletrônica, que apresentaram excelente concordância com o espectro experimental do corante medido em acetonitrila, o qual apresenta uma banda intensa em torno de 450nm. Portanto, isso valida o procedimento de reparametrização do campo de força clássico do corante em solução. O potencial de oxidação do corante NKX-2553 também foi calculado através de cálculos de energia livre. O valor calculado com modelo explícito de solvente foi de 0.98 V, em ótima concordância com o valor experimental de 1.08 V, porém utilizando o modelo contínuo de solvente, obtivemos um valor de 0.83 V. Uma segunda e mais completa abordagem consiste em se estudar o espectro de absorção do corante ancorado à superfície de TiO2 . Para tanto preparamos duas estruturas da forma (TiO2 )14 sendo uma cristalina anatase e a outra amorfa. Para os dois casos, obtivemos valores de máxima absorção em concordância com a faixa de 460 a 600 nm, que foi medida experimentalmente para as bandas de maior eficiência em conversão de luz solar em energia para o corante NKX-2553. Comparando os máximos obtidos nas excitações eletrônicas do corante apenas em solução e depois também adsorvido ao TiO2 , obtemos uma diferença destas curvas em torno de 25 nm. Tal valor é bem inferior se comparado à esta mesma diferença para uma nanopartícula maior reportada na literatura, o que indica um efeito do tamanho da nanopartícula no espectro de absorção. Por fim, também realizamos simulações buscando entender o processo de restauração do corante através do eletrólito. Percebemos que o Iodeto passa a amostrar regiões mais próximas ao corante quando consideramos o corante ancorado à superfcie do TiO2 , o que não ocorre quando a nanopartícula não está presente no sistema. Assim, concluímos que utilizar modelos mais realistas para o solvente acetonitrila é importante e pode nos ajudar a compreender melhor os processos físico-químicos que ocorrem numa célula solar.