Perylene diimide (PDI) derivatives are widely used materials for luminescent solar concentrator (LSC) applications due to their attractive optical and electronic properties. In this work, we study aggregation-induced exciton quenching pathways in four PDI derivatives with increasing steric bulk, which were previously synthesized. We combine molecular dynamics and quantum chemical methods to simulate the aggregation behavior of chromophores at low concentration and compute their excited state properties. We found that PDIs with small steric bulk are prone to aggregate in a solid state matrix, while those with large steric volume displayed greater tendencies to isolate themselves. We find that for the aggregation class of PDI dimers, the optically accessible excitations are in close energetic proximity to triplet charge transfer (CT) states, thus facilitating inter-system crossing and reducing overall LSC performance. While direct singlet fission pathways appear endothermic, evidence is found for the facilitation of a singlet fission pathway via intermediate CT states. Conversely, the insulation class of PDI does not suffer from aggregation-induced photoluminescence quenching at the concentrations studied here and therefore display high photon output. These findings should aid in the choice of PDI derivatives for various solar applications and suggest further avenues for functionalization and study.

1.
M. K.
Bera
,
P.
Pal
, and
S.
Malik
,
J. Mater. Chem. C
8
,
788
(
2020
).
2.
T.
Guner
,
E.
Aksoy
,
M. M.
Demir
, and
C.
Varlikli
,
Dyes Pigm.
160
,
501
(
2019
).
3.
Y.
Kajiwara
,
A.
Nagai
,
K.
Tanaka
, and
Y.
Chujo
,
J. Mater. Chem. C
1
,
4437
(
2013
).
4.
G.-H.
Pan
,
H.
Wu
,
S.
He
,
L.
Zhang
,
Z.
Hao
,
X.
Zhang
, and
J.
Zhang
,
Nanoscale
10
,
22237
(
2018
).
5.
H.
Yuce
,
T.
Guner
,
S.
Dartar
,
B. U.
Kaya
,
M.
Emrullahoglu
, and
M. M.
Demir
,
Dyes Pigm.
173
,
107932
(
2020
).
6.
J. E.
Anthony
,
Chem. Rev.
106
,
5028
(
2006
).
7.
J. E.
Anthony
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
452
(
2008
).
8.
M.
Bendikov
,
H. M.
Duong
,
K.
Starkey
,
K. N.
Houk
,
E. A.
Carter
, and
F.
Wudl
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
7416
(
2004
).
9.
M.
Bendikov
,
F.
Wudl
, and
D. F.
Perepichka
,
Chem. Rev.
104
,
4891
(
2004
).
10.
D.
Chun
,
Y.
Cheng
, and
F.
Wudl
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
8380
(
2008
).
11.
P.-Y.
Gu
,
F.
Zhou
,
J.
Gao
,
G.
Li
,
C.
Wang
,
Q.-F.
Xu
,
Q.
Zhang
, and
J.-M.
Lu
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
14086
(
2013
).
12.
K. N.
Houk
,
P. S.
Lee
, and
M.
Nendel
,
J. Org. Chem.
66
,
5517
(
2001
).
13.
G.
Li
,
H. M.
Duong
,
Z.
Zhang
,
J.
Xiao
,
L.
Liu
,
Y.
Zhao
,
H.
Zhang
,
F.
Huo
,
S.
Li
, and
J.
Ma
,
Chem. Commun.
48
,
5974
(
2012
).
14.
J.
Xiao
,
H. M.
Duong
,
Y.
Liu
,
W.
Shi
,
L.
Ji
,
G.
Li
,
S.
Li
,
X.-W.
Liu
,
J.
Ma
, and
F.
Wudl
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
6094
(
2012
).
15.
S. S.
Zade
and
M.
Bendikov
,
Angew. Chem., Int. Ed.
49
,
4012
(
2010
).
16.
J. H.
Oh
,
H. W.
Lee
,
S.
Mannsfeld
,
R. M.
Stoltenberg
,
E.
Jung
,
Y. W.
Jin
,
J. M.
Kim
,
J.-B.
Yoo
, and
Z.
Bao
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
6065
(
2009
).
17.
Z. J.
Chen
,
L. M.
Wang
,
G.
Zou
,
L.
Zhang
,
G. J.
Zhang
,
X. F.
Cai
, and
M. S.
Teng
,
Dyes Pigm.
94
,
410
(
2012
).
18.
B. A.
Jones
,
A.
Facchetti
,
M. R.
Wasielewski
, and
T. J.
Marks
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
15259
(
2007
).
19.
F.
Würthner
,
Chem. Commun.
14
,
1564
(
2004
).
20.
J. L.
Banal
,
H.
Soleimaninejad
,
F. M.
Jradi
,
M.
Liu
,
J. M.
White
,
A. W.
Blakers
,
M. W.
Cooper
,
D. J.
Jones
,
K. P.
Ghiggino
, and
S. R.
Marder
,
J. Phys. Chem. C
120
,
12952
(
2016
).
21.
Z.
Chen
,
V.
Stepanenko
,
V.
Dehm
,
P.
Prins
,
L. D. A.
Siebbeles
,
J.
Seibt
,
P.
Marquetand
,
V.
Engel
, and
F.
Würthner
,
Chem. Eur. J.
13
,
436
(
2007
).
22.
J.
Idé
,
R.
Méreau
,
L.
Ducasse
,
F.
Castet
,
Y.
Olivier
,
N.
Martinelli
,
J.
Cornil
, and
D.
Beljonne
,
J. Phys. Chem. B
115
,
5593
(
2011
).
23.
J.
Mei
,
N. L. C.
Leung
,
R. T. K.
Kwok
,
J. W. Y.
Lam
, and
B. Z.
Tang
,
Chem. Rev.
115
,
11718
(
2015
).
24.
P.
Yan
,
A.
Chowdhury
,
M. W.
Holman
, and
D. M.
Adams
,
J. Phys. Chem. B
109
,
724
(
2005
).
25.
F.
Würthner
,
C. R.
Saha-Möller
,
B.
Fimmel
,
S.
Ogi
,
P.
Leowanawat
, and
D.
Schmidt
,
Chem. Rev.
116
,
962
(
2016
).
26.
P.
Osswald
,
D.
Leusser
,
D.
Stalke
, and
F.
Würthner
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
250
(
2005
).
27.
P.
Osswald
and
F.
Würthner
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
14319
(
2007
).
28.
C.
Ramanan
,
A. L.
Smeigh
,
J. E.
Anthony
,
T. J.
Marks
, and
M. R.
Wasielewski
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
386
(
2012
).
29.
M.
Mitsui
,
H.
Fukui
,
R.
Takahashi
,
Y.
Takakura
, and
T.
Mizukami
,
J. Phys. Chem. A
121
,
1577
(
2017
).
30.
Y.
Takashima
,
Y.
Fukui
,
M.
Otsubo
,
N.
Hamada
,
H.
Yamaguchi
,
H.
Yamamoto
, and
A.
Harada
,
Polym. J.
44
,
278
(
2012
).
31.
X.
Li
,
H.
Wang
,
J. A.
Schneider
,
Z.
Wei
,
W.-Y.
Lai
,
W.
Huang
,
F.
Wudl
, and
Y.
Zheng
,
J. Mater. Chem. C
5
,
2781
(
2017
).
32.
S.
Nakazono
,
S.
Easwaramoorthi
,
D.
Kim
,
H.
Shinokubo
, and
A.
Osuka
,
Org. Lett.
11
,
5426
(
2009
).
33.
T.
Förster
,
Ann. Phys.
437
,
55
(
1948
).
34.
T.
Főrster
,
Discuss. Faraday Soc.
27
,
7
(
1959
).
35.
B.
Zhang
,
H.
Soleimaninejad
,
D. J.
Jones
,
J. M.
White
,
K. P.
Ghiggino
,
T. A.
Smith
, and
W. W. H.
Wong
,
Chem. Mater.
29
,
8395
(
2017
).
36.
Y.-S.
Ma
,
C.-H.
Wang
,
Y.-J.
Zhao
,
Y.
Yu
,
C.-X.
Han
,
X.-J.
Qiu
, and
Z.
Shi
,
Supramol. Chem.
19
,
141
(
2007
).
37.
M.
Kasha
,
Radiat. Res.
20
,
55
(
1963
).
38.
M.
Kasha
,
H. R.
Rawls
, and
M.
Ashraf El-Bayoumi
,
Pure Appl. Chem.
11
,
371
(
1965
).
39.
R. M.
Hochstrasser
and
M.
Kasha
,
Photochem. Photobiol.
3
,
317
(
1964
).
40.
A.
Oleson
,
T.
Zhu
,
I. S.
Dunn
,
D.
Bialas
,
Y.
Bai
,
W.
Zhang
,
M.
Dai
,
D. R.
Reichman
,
R.
Tempelaar
,
L.
Huang
, and
F. C.
Spano
,
J. Phys. Chem. C
123
,
20567
(
2019
).
41.
N. J.
Hestand
and
F. C.
Spano
,
Chem. Rev.
118
,
7069
(
2018
).
42.
N. J.
Hestand
and
F. C.
Spano
,
Acc. Chem. Res.
50
,
341
(
2017
).
43.
R. R.
Valiev
,
V. N.
Cherepanov
,
G. V.
Baryshnikov
, and
D.
Sundholm
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
6121
(
2018
).
44.
S. W.
Eaton
,
L. E.
Shoer
,
S. D.
Karlen
,
S. M.
Dyar
,
E. A.
Margulies
,
B. S.
Veldkamp
,
C.
Ramanan
,
D. A.
Hartzler
,
S.
Savikhin
, and
T. J.
Marks
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
14701
(
2013
).
45.
A. K.
Le
,
J. A.
Bender
, and
S. T.
Roberts
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
4922
(
2016
).
46.
W.
Ni
,
G. G.
Gurzadyan
,
J.
Zhao
,
Y.
Che
,
X.
Li
, and
L.
Sun
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
2428
(
2019
).
47.
N.
Renaud
and
F. C.
Grozema
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
360
(
2015
).
48.
N.
Renaud
,
P. A.
Sherratt
, and
M. A.
Ratner
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1065
(
2013
).
49.
F.
Mirjani
,
N.
Renaud
,
N.
Gorczak
, and
F. C.
Grozema
,
J. Phys. Chem. C
118
,
14192
(
2014
).
50.
L.
Martínez
,
R.
Andrade
,
E. G.
Birgin
, and
J. M.
Martínez
,
J. Comput. Chem.
30
,
2157
(
2009
).
51.
K.
Vanommeslaeghe
and
A. D.
MacKerell
,
J. Chem. Inf. Model.
52
,
3144
(
2012
).
52.
K.
Vanommeslaeghe
,
E. P.
Raman
, and
A. D.
MacKerell
,
J. Chem. Inf. Model.
52
,
3155
(
2012
).
53.
K.
Vanommeslaeghe
,
E.
Hatcher
,
C.
Acharya
,
S.
Kundu
,
S.
Zhong
,
J.
Shim
,
E.
Darian
,
O.
Guvench
,
P.
Lopes
,
I.
Vorobyov
, and
A. D.
Mackerell
,
J. Comput. Chem.
31
,
671
(
2010
).
54.
A. D.
MacKerell
,
D.
Bashford
,
M.
Bellott
,
R. L.
Dunbrack
,
J. D.
Evanseck
,
M. J.
Field
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
H.
Guo
,
S.
Ha
,
D.
Joseph-McCarthy
,
L.
Kuchnir
,
K.
Kuczera
,
F. T. K.
Lau
,
C.
Mattos
,
S.
Michnick
,
T.
Ngo
,
D. T.
Nguyen
,
B.
Prodhom
,
W. E.
Reiher
,
B.
Roux
,
M.
Schlenkrich
,
J. C.
Smith
,
R.
Stote
,
J.
Straub
,
M.
Watanabe
,
J.
Wiórkiewicz-Kuczera
,
D.
Yin
, and
M.
Karplus
,
J. Phys. Chem. B
102
,
3586
(
1998
).
55.
M. J.
Abraham
,
T.
Murtola
,
R.
Schulz
,
S.
Páll
,
J. C.
Smith
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
SoftwareX
1-2
,
19
(
2015
).
56.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).
57.
A. D.
Becke
,
Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
58.
A.
Schäfer
,
C.
Huber
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
100
,
5829
(
1994
).
59.
TURBOMOLE, a development of University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1989–2007, TURBOMOLE GmbH, since, 2007.
60.
I.
Lyskov
,
M.
Kleinschmidt
, and
C. M.
Marian
,
J. Chem. Phys.
144
,
034104
(
2016
).
61.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
62.
A.
Schäfer
,
H.
Horn
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
97
,
2571
(
1992
).
63.
F.
Weigend
,
M.
Häser
,
H.
Patzelt
, and
R.
Ahlrichs
,
Chem. Phys. Lett.
294
,
143
(
1998
).
64.
T.
Helgaker
,
H.
Larsen
,
J.
Olsen
, and
P.
Jørgensen
,
Chem. Phys. Lett.
327
,
397
(
2000
).
65.
F.
Plasser
and
H.
Lischka
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
2777
(
2012
).
66.
J. D.
Spiegel
,
I.
Lyskov
,
M.
Kleinschmidt
, and
C. M.
Marian
,
Chem. Phys.
482
,
265
(
2017
).
67.
B.
Zhang
,
I.
Lyskov
,
L. J.
Wilson
,
R. P.
Sabatini
,
A.
Manian
,
H.
Soleimaninejad
,
J. M.
White
,
T. A.
Smith
,
G.
Lakhwani
,
D. J.
Jones
,
K. P.
Ghiggino
,
S. P.
Russo
, and
W. W. H.
Wong
,
J. Mater. Chem. C
8
,
8953
(
2020
).
68.
E.
Mete
,
D.
Uner
,
M.
Çakmak
,
O.
Gulseren
, and
Ş.
Ellialtoǧlu
,
J. Phys. Chem. C
111
,
7539
(
2007
).
69.
F.
Zhang
,
Y.
Ma
,
Y.
Chi
,
H.
Yu
,
Y.
Li
,
T.
Jiang
,
X.
Wei
, and
J.
Shi
,
Sci. Rep.
8
,
8208
(
2018
).
70.
W.
Li
,
Q.
Wang
,
Y.
Ma
,
T.
Jiang
,
Y.
Zhu
,
Y.
Shao
,
C.
Sun
, and
J.
Wu
,
Pigm. Resin Technol.
48
,
256
(
2019
).
71.
A. E.
Clark
,
C.
Qin
, and
A. D. Q.
Li
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
7586
(
2007
).
72.
M. H.
Farag
and
A. I.
Krylov
,
J. Phys. Chem. C
122
,
25753
(
2018
).
73.
Z. E. X.
Dance
,
S. M.
Mickley
,
T. M.
Wilson
,
A. B.
Ricks
,
A. M.
Scott
,
M. A.
Ratner
, and
M. R.
Wasielewski
,
J. Phys. Chem. A
112
,
4194
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.