[論文レビュー] General Rules for the Impact of Energetic Disorder and Mobility on Nongeminate Recombination in Phase-Separated Organic Solar Cells

Guangzheng Zuo, Safa Shoaee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2021

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 66被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、運動モンテカルロ（kMC）シミュレーションを用いて、相分離した有機太陽電池において、非キニート的再結合（NGR）が自由電荷の衝突と電荷移動（CT）状態の再分裂の間の競合によって支配されることを明らかにした。主な発見は、再分裂が支配的になる領域では、再結合係数 𝑘₂ が移動度やエネルギー的不均一性に依存せず、形態、CT状態のエネルギー、CT状態の崩壊ダイナミクスにのみ依存することである。これは、ランゲヴィン限界を超えて再結合を抑制する道筋を示している。

ABSTRACT

State of the art organic solar cells exhibit power conversion efficiencies of 18 % and above. These devices benefit from the suppression of free charge recombination with regard to the Langevin-limit of charge encounter in a homogeneous medium. It has been recognized that the main cause of suppressed free charge recombination is the reformation and resplitting of charge transfer states at the interface between donor and acceptor domains. Here, we use kinetic Monte Carlo simulations to understand the interplay between free charge motion and recombination in an energetically-disordered phase-separated donor-acceptor blend. We identify conditions for encounter-dominated and resplitting-dominated recombination. In the former regime, recombination is proportional to mobility for all parameters tested and only slightly reduced with respect to the Langevin limit. In contrast, mobility is not the decisive parameter determining the non-geminate recombination coefficient k_2in the latter case where k_2 is a sole function of the morphology, CT and CS energetics and CT states decay properties. Our simulations also show that free charge encounter in the phase-separated disordered blend is determined by the average mobility of all carriers, while CT reformation and resplitting involves mostly states near the transport energy. Therefore, charge encounter is more affected by increased disorder than the resplitting of the CT state. As a consequence, for a given mobility, larger energetic disorder in combination with a higher hopping rate is preferred. These findings have important implications for the understanding of suppressed recombination in solar cells with non-fullerene acceptors which are known to exhibit lower energetic disorder than fullerenes.

研究の動機と目的

• 相分離した有機太陽電池におけるエネルギー的不均一性、キャリア移動度、および非キニート的再結合（NGR）の相乗的相互作用を理解すること。
• 現代の非フラーレン受容体（NFA）系を念頭に、NGRが衝突制限型か再分裂制限型かに分かれる条件を特定すること。
• 不均一で相分離したブレンドにおいて、2次再結合係数 𝑘₂ が移動度かCT状態ダイナミクスのどちらによって支配されるかを明確にすること。
• エネルギー的不均一性とホッピング率を移動度とは独立して最適化することで、𝑘₂ を最小化するための設計則を同定すること。

提案手法

• 不均一で相分離したドナー・アクセプターブレンドにおける自由電荷の運動と再結合を対象とした運動モンテカルロ（kMC）シミュレーション。
• 移動度と再結合依存性を調査するため、遷移ホッピング周波数 𝜈₀ とエネルギー的不均一性 𝜎 を体系的に変化させた。
• 電荷移動（CT）状態の形成、自由キャリアへの再分裂、および基底状態への崩壊（率定数 𝑘𝑓 を用いてモデル化）。
• 比較の基盤として、ランゲヴィン衝突係数 𝑘𝐿 = 𝑞(𝜇ₑ + 𝜇ₕ)/𝜀₀𝜀ᵣ を用いた。
• 平衡状態までに至る一時的再結合ダイナミクスをシミュレーションし、抽出・再結合のバランスを評価。
• encounter 依存性を移動度および不均一性に反映させる係数 𝛾ₑₙ꜀ を用いて、有効再結合係数 𝑘₂(𝑡) = 𝑘𝑓 / (𝑘𝑓 + 𝑐𝜈₀𝛾ₑₙ꜀𝑘𝐿(𝑡)) を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー的不均一性は、相分離した有機太陽電池における自由電荷の衝突とCT状態の再分裂のバランスにどのように影響するか？
• RQ2 NGR が自由電荷の衝突ではなくCT状態の再分裂によって支配される条件は何か？
• RQ3 再分裂支配領域において、2次再結合係数 𝑘₂ がキャリア移動度にどれほど依存するか？
• RQ4 平均移動度と輸送エネルギーは、不均一ブレンドにおける再結合ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 高効率有機太陽電池におけるNGRの抑制は、衝突制限型から再分裂支配型への遷移によって説明可能か？

主な発見

• 衝突支配領域では、𝑘₂ は移動度に比例し、エネルギー的不均一性に関係なく、ランゲヴィン限界に対して最大50％までしか低下しない。
• 再分裂支配領域では、𝑘₂ は移動度および遷移ホッピング周波数 𝜈₀ に依存せず、形態、CT状態のエネルギー、CT状態の崩壊特性にのみ依存する。
• ある移動度に対して、エネルギー的不均一性（𝜎）を増加させると、電荷衝突は再分裂よりも不均一性に対してより感受性が高いため、𝑘₂ の抑制が強まる。
• 高い不均一性と高いホッピング率下では、再結合低減係数が10⁻³にまで達することがあり、フラーレン系ブレンドの実験的観察と整合的である。
• CT状態の形成は、両方のキャリアが輸送エネルギーに熱励起されることを含み、衝突プロセスは再分裂プロセスよりも不均一性に対して感受性が強い。
• 分子的および形態的設計により、𝑘₂ を独立して低下させるとともに移動度を向上させることで、指標 𝛼₂ = 𝑞²𝑘₂𝐺𝑑⁴ / (4𝜇ₑ𝜇ₕ(𝑘𝐵𝑇)²) をショックリー領域（𝛼₂ < 1）にまで低下させることができる。