Desenvolvimento de metodologia para otimização de parâmetros fotovoltaicos de sensibilizadores orgânicos de células solares, incluindo efeitos conformacionais

Abstract

Cromóforos orgânicos têm sido amplamente investigados para aplicações em células solares sensibilizadas por corante (DSSC’s) como forma de geração de energia limpa e sustentável, com intuito de substituir as células fotovoltaicas com núcleos metálicos. O desempenho de uma DSSC é influenciado por uma série de parâmetros essenciais, incluindo o potencial de circuito aberto (VOC), a eficiência de coleta de luz (LHE), as energias livres de Gibbs para injeção e regeneração de elétrons (ΔGinj e ΔGreg, respectivamente), o fator de preenchimento (FF) e a vida útil do estado excitado (τ). A pesquisa se concentrou em moléculas com uma arquitetura dipolar D-π-A, utilizando uma abordagem que inclui uma extensa busca conformacional com os programas CREST e CENSO, seguida por cálculos de estrutura eletrônica em nível TD-DFT, empregando a aproximação de Tamm-Dancoff. Inicialmente, 150 moléculas distintas foram selecionadas para uma triagem inicial no vácuo. A partir de um modelo de Machine Learning (ML) de classificação, as 10 moléculas mais promissoras foram selecionadas com base em parâmetros fotovoltaicos e descritores sobre a natureza transição eletrônica dos cromóforos. As moléculas selecionadas pelo ML foram então reavaliadas considerando o efeito da solvatação implícita, o que permitiu uma análise mais realista das propriedades eletrônicas em condições mais próximas às experimentais. Além disso, foram empregados três funcionais de troca-correlação (B3LYP, CAM-B3LYP e ωB97XD4) para avaliar o impacto da escolha do funcional nos parâmetros calculados. Dentre eles, o funcional CAM-B3LYP demonstrou os resultados mais consistentes e confiáveis ao longo das comparações, destacando-se como o mais adequado para descrever as propriedades eletrônicas e fotofísicas dos cromóforos estudados. Este trabalho revelou a influência significativa do efeito do solvente nos parâmetros relacionados à natureza da transição eletrônica das moléculas. O estudo também sublinha a importância de levar em conta os efeitos conformacionais na otimização de fotossensibilizadores orgânicos, uma vez que os parâmetros eletroquímicos são derivados de cálculos TD-DFT que são fortemente dependentes da geometria, algo ainda pouco explorado na literatura. O protocolo desenvolvido realiza uma triagem molecular customizável para maximizar os parâmetros atrelados à eficiência fotovoltaica que pode ser estendido para corantes com arquiteturas moleculares mais complexas.