The electronic structure of the N3/TiO2 interface can directly influence the performance of a dye sensitized solar cell (DSSC). Therefore, it is crucial to understand the parameters that control the dye’s orientation on the semiconductor’s surface. A typical step in DSSC fabrication is to submerge the nanoparticulate semiconductor film in a solution containing the dye, the sensitizing solution. The pH of the N3 sensitizing solution determines the distribution of the N3 protonation states that exist in solution. Altering the pH of the sensitizing solution changes the N3 protonation states that exist in solution and, subsequently, the N3 protonation states that anchor to the TiO2 substrate. We utilize the surface specific technique of heterodyne detected vibrational sum frequency generation spectroscopy to determine the binding geometry of N3 on a TiO2 surface as a function of the sensitizing solution pH conditions. It is determined that significant reorientation of the dye occurs in pH 2.0 conditions due to the lack of N3-dye carboxylate anchoring groups participating in adsorption to the TiO2 substrate. Consequently, the change in molecular geometry is met with a change in the interfacial electronic structure that can hinder electron transfer in DSSC architectures.

1.
B.
O’Regan
and
M.
Grätzel
,
Nature
353
,
737
(
1991
).
3.
S. E.
Koops
,
B. C.
O’Regan
,
P. R. F.
Barnes
, and
J. R.
Durrant
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
4808
(
2009
).
4.
M. K.
Nazeeruddin
,
E.
Baranoff
, and
M.
Grätzel
,
Sol. Energy
85
,
1172
(
2011
).
5.
J.
Gong
,
K.
Sumathy
,
Q.
Qiao
, and
Z.
Zhou
,
Renewable Sustainable Energy Rev.
68
,
234
(
2017
).
6.
K.
Sharma
,
V.
Sharma
, and
S. S.
Sharma
,
Nanoscale Res. Lett.
13
,
381
(
2018
).
7.
A.
Belén Muñoz-García
,
I.
Benesperi
,
G.
Boschloo
,
J. J.
Concepcion
,
J. H.
Delcamp
,
E. A.
Gibson
,
G. J.
Meyer
,
M.
Pavone
,
H.
Pettersson
,
A.
Hagfeldt
, and
M.
Freitag
,
Chem. Soc. Rev.
50
,
12450
(
2021
).
8.
M.
Kokkonen
,
P.
Talebi
,
J.
Zhou
,
S.
Asgari
,
S.
Ahmed Soomro
,
F.
Elsehrawy
,
J.
Halme
,
S.
Ahmad
,
A.
Hagfeldt
, and
S.
Ghufran Hashmi
,
J. Mater. Chem. A
9
,
10527
(
2021
).
9.
X.
Chen
and
S. S.
Mao
,
Chem. Rev.
107
,
2891
(
2007
).
10.
Y.
Ling
,
J. K.
Cooper
,
Y.
Yang
,
G.
Wang
,
L.
Munoz
,
H.
Wang
,
J. Z.
Zhang
, and
Y.
Li
,
Nano Energy
2
,
1373
(
2013
).
12.
N.
Robertson
,
Angew. Chem., Int. Ed.
45
,
2338
(
2006
).
13.
R. R.
Guimaraes
,
A. L. A.
Parussulo
,
H. E.
Toma
, and
K.
Araki
,
Inorg. Chim. Acta
404
,
23
(
2013
).
14.
X.
Zhang
,
T.
Peng
, and
S.
Song
,
J. Mater. Che. A
4
,
2365
(
2016
).
15.
P.
Xu
,
N. S.
McCool
, and
T. E.
Mallouk
,
Nano Today
14
,
42
(
2017
).
16.
F.
De Angelis
,
S.
Fantacci
, and
A.
Selloni
,
Nanotechnology
19
,
424002
(
2008
).
17.
J. M.
Azpiroz
and
F.
De Angelis
,
J. Phys. Chem. A
118
,
5885
(
2014
).
18.
M. K.
Nazeeruddin
,
F.
De Angelis
,
S.
Fantacci
,
A.
Selloni
,
G.
Viscardi
,
P.
Liska
,
S.
Ito
,
B.
Takeru
, and
M.
Grätzel
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
16835
(
2005
).
19.
N. S.
Hush
,
Coord. Chem. Rev.
64
,
135
(
1985
).
20.
D. F.
Zigler
,
Z. A.
Morseth
,
L.
Wang
,
D. L.
Ashford
,
M. K.
Brennaman
,
E. M.
Grumstrup
,
E. C.
Brigham
,
M. K.
Gish
,
R. J.
Dillon
,
L.
Alibabaei
,
G. J.
Meyer
,
T. J.
Meyer
, and
J. M.
Papanikolas
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
4426
(
2016
).
21.
J. B.
Asbury
,
N. A.
Anderson
,
E.
Hao
,
X.
Ai
, and
T.
Lian
,
J. Phys. Chem. B
107
,
7376
(
2003
).
22.
J. A.
Pollard
,
D.
Zhang
,
J. A.
Downing
,
F. J.
Knorr
, and
J. L.
McHale
,
J. Phys. Chem. A
109
,
11443
(
2005
).
23.
C. S.
Kley
,
C.
Dette
,
G.
Rinke
,
C. E.
Patrick
,
J.
Čechal
,
S. J.
Jung
,
M.
Baur
,
M.
Dürr
,
S.
Rauschenbach
,
F.
Giustino
,
S.
Stepanow
, and
K.
Kern
,
Nano Lett.
14
,
563
(
2014
).
24.
J. B.
Asbury
,
E.
Hao
,
Y.
Wang
,
H. N.
Ghosh
, and
T.
Lian
,
J. Phys. Chem. B
105
,
4545
(
2001
).
25.
M. K.
Nazeeruddin
,
R.
Humphry-Baker
,
P.
Liska
, and
M.
Grätzel
,
J. Phys. Chem. B
107
,
8981
(
2003
).
26.
F.
De Angelis
,
S.
Fantacci
,
A.
Selloni
,
M. K.
Nazeeruddin
, and
M.
Grätzel
,
J. Phys. Chem. C
114
,
6054
(
2010
).
27.
L. C.
Mayor
,
J.
Ben Taylor
,
G.
Magnano
,
A.
Rienzo
,
C. J.
Satterley
,
J. N.
O’Shea
, and
J.
Schnadt
,
J. Chem. Phys.
129
,
114701
(
2008
).
28.
J. M.
Cole
,
Y.
Gong
,
J.
McCree-Grey
,
P. J.
Evans
, and
S. A.
Holt
,
ACS Appl. Energy Mater.
1
,
2821
(
2018
).
29.
K. T.
Mukaddem
,
P. A.
Chater
,
L. R.
Devereux
,
O. K.
Al Bahri
,
A.
Jain
, and
J. M.
Cole
,
J. Phys. Chem. C
124
,
11935
(
2020
).
30.
C. S.
Tian
and
Y. R.
Shen
,
Surf. Sci. Rep.
69
,
105
(
2014
).
31.
A. G. F.
de Beer
,
J.-S.
Samson
,
W.
Hua
,
Z.
Huang
,
X.
Chen
,
H. C.
Allen
, and
S.
Roke
,
J. Chem. Phys.
135
,
224701
(
2011
).
32.
S.
Sun
,
P. J.
Bisson
,
M.
Bonn
,
M. J.
Shultz
, and
E. H. G.
Backus
,
J. Phys. Chem. C
123
,
7266
(
2019
).
33.
S.
Nihonyanagi
,
R.
Kusaka
,
K.
Inoue
,
A.
Adhikari
,
S.
Yamaguchi
, and
T.
Tahara
,
J. Chem. Phys.
143
,
124707
(
2015
).
34.
I. V.
Stiopkin
,
H. D.
Jayathilake
,
A. N.
Bordenyuk
, and
A. V.
Benderskii
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
2271
(
2008
).
35.
A.
Ge
,
B.
Rudshteyn
,
J.
Zhu
,
R. J.
Maurer
,
V. S.
Batista
, and
T.
Lian
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
406
(
2018
).
36.
A.
Ge
,
B.
Rudshteyn
,
B. T.
Psciuk
,
D.
Xiao
,
J.
Song
,
C. L.
Anfuso
,
A. M.
Ricks
,
V. S.
Batista
, and
T.
Lian
,
J. Phys. Chem. C
120
,
20970
(
2016
).
37.
J.
Wang
,
M. L.
Clark
,
Y.
Li
,
C. L.
Kaslan
,
C. P.
Kubiak
, and
W.
Xiong
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4204
(
2015
).
38.
C. C.
Rich
,
M. A.
Mattson
, and
A. T.
Krummel
,
J. Phys. Chem. C
120
,
6601
(
2016
).
39.
M. K.
Nazeeruddin
,
S. M.
Zakeeruddin
,
R.
Humphry-Baker
,
M.
Jirousek
,
P.
Liska
,
N.
Vlachopoulos
,
V.
Shklover
,
C.-H.
Fischer
, and
M.
Grätzel
,
Inorg. Chem.
38
,
6298
(
1999
).
40.
G.
Pizzoli
,
M. G.
Lobello
,
B.
Carlotti
,
F.
Elisei
,
M. K.
Nazeeruddin
,
G.
Vitillaro
, and
F.
De Angelis
,
Dalton Trans.
41
,
11841
(
2012
).
41.
R. R.
Knauf
,
M. K.
Brennaman
,
L.
Alibabaei
,
M. R.
Norris
, and
J. L.
Dempsey
,
J. Phys. Chem. C
117
,
25259
(
2013
).
42.
H.
Chen
,
J. M.
Cole
,
G. B. G.
Stenning
,
A.
Yanguas-Gil
,
J. W.
Elam
,
L.
Stan
, and
Y.
Gong
,
ACS Appl. Energy Mater.
3
,
3230
(
2020
).
43.
C.
Wang
,
H.
Groenzin
, and
M. J.
Shultz
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
9736
(
2005
).
44.
C.
Wang
,
H.
Groenzin
, and
M. J.
Shultz
,
J. Phys. Chem. B
108
,
265
(
2004
).
45.
F.
Pichot
,
J. R.
Pitts
, and
B. A.
Gregg
,
Langmuir
16
,
5626
(
2000
).
46.
Y.
Tong
,
Q.
Peng
,
T.
Ma
,
T.
Nishida
, and
S.
Ye
,
APL Mater.
3
,
104402
(
2015
).
47.
W.
Ma
,
Z.
Lu
, and
M.
Zhang
,
Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.
66
,
621
(
1998
).
48.
N.
Wetchakun
,
B.
Incessungvorn
,
K.
Wetchakun
, and
S.
Phanichphant
,
Mater. Lett.
82
,
195
(
2012
).
49.
E.
Dell’Orto
,
L.
Raimondo
,
A.
Sassella
, and
A.
Abbotto
,
J. Mater. Chem.
22
,
11364
(
2012
).
50.
Y. R.
Farah
and
A. T.
Krummel
,
J. Chem. Phys.
154
,
124702
(
2021
).
51.
C. C.
Rich
,
K. A.
Lindberg
, and
A. T.
Krummel
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
1331
(
2017
).
52.
H.
Vanselous
and
P. B.
Petersen
,
J. Phys. Chem. C
120
,
8175
(
2016
).
53.
J. M.
Marmolejos
,
P. J.
Bisson
, and
M. J.
Shultz
,
J. Chem. Phys.
150
,
124705
(
2019
).
54.
A. G.
Lambert
,
P. B.
Davies
, and
D. J.
Neivandt
,
Appl. Spectrosc. Rev.
40
,
103
(
2005
).
55.
P. A.
Covert
and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. C
119
,
271
(
2015
).
56.
S.
Yamaguchi
and
T.
Tahara
,
J. Chem. Phys.
129
,
101102
(
2008
).
57.
M.
Murai
,
A.
Furube
,
M.
Yanagida
,
K.
Hara
, and
R.
Katoh
,
Chem. Phys. Lett.
423
,
417
(
2006
).
58.
F.
Schiffmann
,
J.
VandeVondele
,
J.
Hutter
,
A.
Urakawa
,
R.
Wirz
, and
A.
Baiker
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
4830
(
2010
).
59.
M.
Wierzejewska
and
Z.
Mielke
,
Chem. Phys. Lett.
349
,
227
(
2001
).
60.
H.-L.
Lu
,
T. F.-R.
Shen
,
S.-T.
Huang
,
Y.-L.
Tung
, and
T. C.-K.
Yang
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
95
,
1624
(
2011
).
61.
A. J.
Moad
and
G. J.
Simpson
,
J. Phys. Chem. B
108
,
3548
(
2004
).
62.
A.
Ge
,
B.
Rudshteyn
,
P. E.
Videla
,
C. J.
Miller
,
C. P.
Kubiak
,
V. S.
Batista
, and
T.
Lian
,
Acc. Chem. Res.
52
,
1289
(
2019
).
63.
H.-F.
Wang
,
L.
Velarde
,
W.
Gan
, and
L.
Fu
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
66
,
189
(
2015
).
64.
H.-F.
Wang
,
W.
Gan
,
R.
Lu
,
Y.
Rao
, and
B.-H.
Wu
,
Int. Rev. Phys. Chem.
24
,
191
(
2005
).
65.
X.
Zhuang
,
P. B.
Miranda
,
D.
Kim
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. B
59
,
12632
(
1999
).
66.
A.
Listorti
,
B.
O’Regan
, and
J. R.
Durrant
,
Chem. Mater.
23
,
3381
(
2011
).
67.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, Gaussian 09, Revision E.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2009
.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.