[論文レビュー] Energy Efficient Dissociation of Excitons to Free Charges

Maxim Tabachnyk, Samuel Smith+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2017

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、エントロピーの増大を活用することで、220 meVのクーロン障壁を克服し、50 ps以内に、発熱的電荷分離がほぼ100％の効率で、最小限の電圧損失を伴って進行することを示した。この研究は、直接自由電荷を生成する系と比較して、励起子系の光電変換に根本的な効率的不利要因がないことを明らかにした。これは、三重励起子エネルギーに対して400 meVの有効オープン・クランプ電圧損失にとどまることを示している。

ABSTRACT

In photovoltaics (PVs) and artificial photosynthetic systems based on excitons, the question of how energy must be lost in overcoming the Coulomb barrier, converting excitons to free charges, is fundamental, as it determines the achievable open-circuit voltage or over-potential1-3. Here, using transient and steady-state optical spectroscopy we study a model system, pentacene/C60, where pentacene triplet excitons are dissociated to form charge transfer states, which we show to be degenerate in energy with the triplet excitons. We directly track these charge transfer states undergoing efficient long-range separation to free charges within 50 ps, despite a significant Coulomb barrier that we measure to be 220 meV. We model this endothermic charge separation to be driven by entropic gain. Our results demonstrate that endothermic charge separation can proceed rapidly with near unity efficiency, overcoming Coulomb barriers greater than 200meV via a gain in entropy, thus minimising loss of open-circuit voltage or over-potential. In the pentacene/C60 system this leads here to an effective VOC loss of only 400meV with respect to the energy of the triplet exciton. This suggests that excitonic photoconversion systems have no fundamental disadvantage compared to systems which generate free changes directly upon photoexcitation.

研究の動機と目的

• 励起子系における励起子から自由電荷への変換過程でのエネルギー損失メカニズムを理解すること。
• 顕著なクーロン障壁が存在するにもかかわらず、発熱的電荷分離が効率的に進行するかどうかを調査すること。
• モデル有機ヘテロジャンクションにおけるエントロピーの役割が、電荷分離をどのように駆動するかを特定すること。
• 初期励起子エネルギーに対して、励起子系におけるオープン・クランプ電圧損失を定量すること。
• 直接自由電荷を生成する系と比較して、励起子系が根本的に不利な点があるかどうかを評価すること。

提案手法

• 遷移的および定常的光学分光法を用いて、ペントアセン/C60ヘテロジャンクションにおける三重励起子および電荷移動状態のダイナミクスを追跡した。
• 三重励起子と電荷移動状態のエネルギー準位の整合性を測定し、デジェネレート（ degeneracy ）であることを確認した。
• 時間分解分光法により、50 psスケールでの電荷分離ダイナミクスを捉えた。
• スペクトロスコピック解析を用いて、クーロン障壁を実験的に220 meVとして定量化した。
• 熱力学的モデルを適用し、エントロピーの増大が発熱的電荷分離を駆動することを示した。
• 有効オープン・クランプ電圧損失を、三重励起子エネルギーに対して400 meVとして計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きなクーロン障壁が存在するにもかかわらず、有機ヘテロジャンクションにおける発熱的電荷分離が効率的に進行できるか？
• RQ2 エネルギー的に上行のプロセスであるにもかかわらず、エントロピーが電荷分離を可能にする役割は何か？
• RQ3 励起子系におけるオープン・クランプ電圧損失は、初期励起子エネルギーと比べてどの程度か？
• RQ4 直接自由電荷を生成する系と比較して、励起子系は根本的に効率的不利があるのか？
• RQ5 ペントアセン/C60における励起子解離に続く長距離電荷分離の時間スケールは何か？

主な発見

• ペントアセン/C60における電荷分離は、220 meVのクーロン障壁が存在するにもかかわらず、50 ps以内に進行しており、高速なダイナミクスを示している。
• 電荷移動状態は三重励起子とエネルギー的にデジェネレートしており、効率的な状態遷移が可能である。
• エントロピーの増大が発熱的電荷分離プロセスを駆動し、エネルギー損失を最小限に抑える。
• 有効オープン・クランプ電圧損失は、三重励起子エネルギーに対してわずか400 meVであり、予想に比べて顕著に低い。
• 励起子から自由電荷への変換において、ほぼ100％の量子効率が達成された。
• この結果は、エントロピーを活用することで、クーロン障壁が存在する場合でも、励起子系が根本的に効率的に制限されないことを示している。