Einfluss der Umgebung auf lichtinduzierte Prozesse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden theoretische Methoden entwickelt und angewendet, die die lichtinduzierte Dynamik in organischen Funktionsmaterialien verlässlich beschreiben. Hierzu wurden bestehende Ansätze so weiterentwickelt, dass sie die in Aggregaten auftretenden Kopplungen vollständiger erfassen und weitere wichtige Umgebungseffekte berücksichtigen. Untersuchungen wurden zu Perylen-basierten Aggregaten und Kristallen durchgeführt. Zudem werden Exzitonen- und Ladungstransfer in speziell präparierten Strukturen mit unterschiedlichem Ordnungsgrad simuliert werden. Die Untersuchungen unterteilen sich in mehrere Bereiche. Durch die Entwicklung eines Aggregat-basierten Ansatzes zur Beschreibung des Verhaltens von Exzitonen gelang es uns in Kooperation mit P5, den Mechanismus der Exzimerbildung in Aggregaten und Kristallen von Perylen-basierten Systemen auf atomistischem Niveau aufzuklären. Bei den zwischen DIP und α-PTECDA auftretenden Unterschiede in den Exzitonendiffusionslängen zeigte sich, dass die sich aus der Kristallstruktur ergebenden Restriktionen dominieren. Die Unterschiede in den elektronischen Strukturen der Moleküle oder kleinen Aggregate sind dagegen kaum von Bedeutung. In weiteren Arbeiten wurden die Näherungen wurden effizientere Methoden zur Berechnung der elektronischen Effekte entwickelt, die es erlaubt, die Näherungen des Dimer-Ansatzes zu überprüfen. Hierbei konnten wir zeigen, dass alle Näherungen gerechtfertigt sind. Durch weitere sehr erfolgreiche Anwendungen gelang es uns, den Ansatz in der Community zu etablieren. Zur Berechnung und Vorhersage von Exzitonendiffusionslängen oder Ladungsträgermobilitäten erarbeiteten wir in Kooperation mit Projekt P6 (Dyakonov/Deibel) verschiedene Ansätze (Überlappungsansatz, Marcus, Levich-Jortner) und implementierten diese in das von der Arbeitsgruppe Engels entwickelte Programmpaket VAMP. Im Rahmen dieser Arbeiten konnten wir z.B. erstmalig zeigen, dass auch der Marcus-Ansatz zur Beschreibung der Exzitonendiffusion verwendet werden kann, was das Design von Molekülen mit verbesserten Eigenschaften wesentlich vereinfacht. In weiteren Arbeiten wurde ein Programm entwickelt, das es erlaubt, alle an Organik-Organik-Grenzflächen ablaufenden Prozesse auf gleichem Niveau zu erfassen. Mit Hilfe dieser Simulationen konnten wir verschiedene experimentell bekannte, bislang aber unverstandene Trends erklären. Vergleiche zu gemessenen makroskopischen Daten deuten darauf hin, dass unser Ansatz die wichtigen Prozesse im Wesentlichen korrekt beschreibt. In neueren Anwendungen simulieren wir TR-SHG Messungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Ultrafast Exciton Self-Trapping upon Geometry Deformation in Perylene- Based Molecular Aggregates,“ J. Phys. Chem. Lett. 4(5), 792-796 (2013)
A. Schubert, V. Settels, W. L. Liu, F. Wurthner, C. Meier, R. F. Fink, S. Schindlbeck, S. Lochbrunner, B. Engels, and V. Engel
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“Singlet Exciton Diffusion in Organic Crystals Based on Marcus Transfer Rates,“ J. Chem. Theory Comput. 10(3), 1242-1255 (2014)
V. Stehr, R. F. Fink, B. Engels, J. Pflaum, and C. Deibel
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„CAST: A new program package for the accurate characterization of large and flexible molecular systems,“ J. Comput. Chem. 35(24), 1801-1807 (2014)
C. Grebner, J. Becker, D. Weber, D. Bellinger, M. Tafipolski, C. Brückner, and B. Engels
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„Identification of Ultrafast Relaxation Processes As a Major Reason for Inefficient Exciton Diffusion in Perylene-Based Organic Semiconductors,“ J. Am. Chem. Soc. 136(26), 9327-9337 (2014)
V. Settels, A. Schubert, M. Tafipolski, W. L. Liu, V. Stehr, A. K. Topczak, J. Pflaum, C. Deibel, R. F. Fink, V. Engel, and B. Engels
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“A Theoretical Description of Charge Reorganization Energies in Molecular Organic P-Type Semiconductors,“ J. Comput. Chem. 37(15), 1335-1344 (2016)
C. Brückner, and B. Engels
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“Comparison of different rate constant expressions for the prediction of charge and energy transport in oligoacenes,“ WIREs Comput Mol Sci 6(6), 694-720 (2016)
V. Stehr, R. F. Fink, M. Tafipolski, C. Deibel, and B. Engels
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„Influence of a Polarizable Surrounding on the Electronically Excited States of Aggregated Perylene Materials,“ J. Comput. Chem. 37(17), 1601-1610 (2016)
D. Bellinger, V. Settels, W. L. Liu, R. F. Fink, and B. Engels
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„Theoretical Investigation of the Interactions Between the pi- Systems of Molecular Organic Semiconductors and an Analysis of the Contributions of Repulsion and Electrostatics,“ Int. J. Quantum Chem. 116(15), 1138-1152 (2016)
C. Brückner, C. Walter, and B. Engels
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“QM/MM calculations combined with the dimer approach on the static disorder at organic-organic interfaces of thin-film organic solar cells composed of small molecules“, J. Phys. Org. Chem. 30(9), e3740 (2017)
C. Brückner, M. Stolte, F. Wurthner, J. Pflaum, and B. Engels
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„Atomistic Approach To Simulate Processes Relevant for the Efficiencies of Organic Solar Cells as a Function of Molecular Properties. II. Kinetic Aspects,“ J. Phys. Chem. C 121(1), 26-51 (2017)
C. Brückner, F. Würthner, K. Meerholz, and B. Engels
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„Benchmarking singlet and triplet excitation energies of molecular semiconductors for singlet fission: Tuning the amount of HF exchange and adjusting local correlation to obtain accurate functionals for singlet-triplet gaps,“ Chem. Phys. 482, 319-338 (2017)
C. Brückner, and B. Engels
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„Structure-Property Relationships from Atomistic Multiscale Simulations of the Relevant Processes in Organic Solar Cells. I. Thermodynamic Aspects,“ J. Phys. Chem. C 121(1), 4-25 (2017)
C. Brückner, F. Würthner, K. Meerholz, and B. Engels
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„The dimer-approach to characterize opto-electronic properties of and exciton trapping and diffusion in organic semiconductor aggregates and crystals,” Phys. Chem. Chem. Phys. 19(20), 12604-12619 (2017)
B. Engels, and V. Engel
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„A Model Hamiltonian Tuned Toward High Level: Ab Initio Calculations to Describe the Character of Excitonic States in Perylenebisimide Aggregates“, J. Comput. Chem. 39(24), 1979-1989 (2018)
W. L. Liu, S. Canola, A. Kohn, B. Engels, F. Negri, and R. F. Fink
