[論文レビュー] A quasi steady-state measurement of exciton diffusion lengths in organic semiconductors

Drew B. Riley, Oskar J. Sandberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 55被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、時間分解能を必要とせずに有機半導体における励起子拡散長を測定する新規手法pulsed-PLQYを紹介する。モンテカルロシミュレーションと実験的検証を用いて、pulsed-PLQYが従来のTRPL線形化法と比較してより広い作動範囲を示し、励起フラクチュエーションへの感受性が低いことを示した。また、非フラーレン受体は拡散性の向上により著しく長い拡散長を示すことが判明し、これが太陽電池における高い電荷生成収率を説明する。

ABSTRACT

Understanding the role that exciton diffusion plays in organic solar cells is a crucial to understanding the recent rise in power conversion effciencies brought about by non-fullerene acceptors (NFA). Established methods for measuring exciton diffusion lengths in organic solar cells require specialized equipment designed for measuring high-resolution time-resolved photoluminescence (TRPL). Here we introduce a technique, coined pulsed-PLQY, to measure the diffusion length of organic solar cells without any temporal measurements. Using a Monte-Carlo model we simulate the dynamics within a thin film semiconductor and analyse the results using both pulsed-PLQY and TRPL methods. We find that pulsed-PLQY has a larger operational region and depends less on the excitation fuence than the TRPL approach. We validate these simulated results by preforming both measurements on organic thin films and reproduce the predicted trends. Pulsed-PLQY is then used to evaluate the diffusion length in a variety of technologically relevant organic semiconductors. It is found that the diffusion lengths in NFA's are much larger than in the benchmark fullerene and that this increase is driven by an increase in diffusivity.

研究の動機と目的

• . 時間分解光励起分光（TRPL）測定を要件としない、有機半導体における励起子拡散長を推定する準安定状態法の開発。
• . 様々な励起密度下での励起子拡散長抽出における従来のTRPL線形化法の限界の評価。
• . モンテカルロシミュレーションとP3HTにおける実験的検証を通じて、pulsed-PLQYという新規手法の検証。
• . 非フラーレン受体（NFA）における拡散長の定量的評価とフラーレン系システムとの比較を通じて、有機太陽電池におけるその優れた性能の理解。
• . 低オフセットNFA太陽電池における高い電荷生成収率を実現する要因としての拡散性と励起子寿命の役割の解明。

提案手法

• . モンテカルロホッピングモデルを用いて、薄膜有機半導体における励起子ダイナミクス（拡散、再結合、励起子-励起子消滅（EEA））をシミュレーション。
• . 2つの解析手法を実装：従来のTRPL線形化法と、提案されたpulsed-PLQY。pulsed-PLQYは、変動する励起密度における準安定状態光励起分光量子収率（PLQY）から拡散長を抽出する。
• . 「作動範囲」として定義される範囲の評価—シミュレーションにおいて抽出された拡散長が入力値と一致する励起密度の範囲。
• . P3HT（よく特徴づけられた有機半導体）を用いたpulsed-PLQY手法の実験的検証とTRPL測定結果との比較。
• . pulsed-PLQYを、非フラーレン受体（NFAs）を含む技術的関連材料の範囲に適用し、拡散長を測定。
• . EEAデータから、両方のシミュレーションおよび実験において、消滅係数と仮定された捕獲半径（GIWAXSのd100間隔から算出）を用いて拡散長を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . pulsed-PLQYのような準安定状態法は、時間分解測定を要件としない有機半導体における励起子拡散長を正確に特定できるか？
• RQ2 . pulsed-PLQYの作動範囲は、TRPL線形化法と比較して、励起密度範囲およびロバスト性においてどのように異なるか？
• RQ3 . 非フラーレン受体（NFA）有機太陽電池における性能向上に、拡散性と励起子寿命のどちらがより重要な役割を果たすか？
• RQ4 . NFAsにおける拡散長は、ベンチマークとしてのフラーレン系システムと比較してどのように異なるか？
• RQ5 . 捕獲半径は拡散長抽出にどの程度影響を及ぼすか？また、構造的データから信頼性を持って推定可能か？

主な発見

• . pulsed-PLQYはTRPL線形化法よりも広い作動範囲を示し、広い励起密度範囲で信頼性の高い拡散長抽出が可能である。
• . pulsed-PLQYはTRPL線形化法よりも励起フラクチュエーションへの感受性が低く、実用的応用においてよりロバストである。
• . 非フラーレン受体（NFAs）における拡散長は、フラーレン系システムと比較して顕著に長く、その増加は主に拡散性の向上に起因する。
• . PM6:Y6 NFA系では、拡散長が100 nmを超えることが確認され、低オフセット太陽電池における高い電荷生成収率と整合的である。
• . GIWAXS測定によるd100層間隔が、励起子捕獲半径の信頼性の高い推定値を提供することが確認された。
• . P3HTにおける実験的検証で、pulsed-PLQYとTRPLの結果が良好に一致し、本手法の正確性と再現性が裏付けられた。