[論文レビュー] Modelling of limitations of bulk heterojunction architecture in organic solar cells

Jacek Wojtkiewicz, Marek Pilch|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2017

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ランダムなBHJネットワークにおける有効なドナー・アクセプター界面長と理想化されたコンビブ構造を比較することで、バルクヘテロジャンクション（BHJ）有機太陽電池における内在的効率制限要因を分析する2次元幾何モデルを提案する。このモデルは、BHJ構造が理想のコンビブ構造の約半分の界面長にとどまることを示しており、13％を超える効率向上が根本的な幾何的制約によって制限されていることを示している。

ABSTRACT

Polymer solar cells are considered as very promising candidates for development of photovoltaics of the future. They are cheap and easy to fabricate, however, up to now, they possess fundamental drawback, low effectiveness. In the most popular BHJ (bulk heterojunction) architecture the actual record of efficiency is about 13 percent. One ask the question how fundamental this limitation is. In our paper we propose the simple model which examines the limitations of efficiency by analysis of geometrical aspects of the BHJ architecture. In this paper we considered two dimensional model. We calculated the effective length of the donor-acceptor border in the random mixture of donor and acceptor nanocrystals and further compared it with an ideal comb architecture. It turns out that in the BHJ architecture, this effective length is about 2 times smaller than in the comb architecture.

研究の動機と目的

• 現在のバルクヘテロジャンクション（BHJ）有機太陽電池における約13％の効率上限が、根本的な幾何的制約に起因するかどうかを調査すること。
• ランダムなBHJネットワークと理想化された周期的コンビブ型構造との間の有効なドナー・アクセプター界面長の差を定量化すること。
• BHJ材料におけるランダムな相分離が、最適でない界面面積に起因して効率を制限する本質的要因かどうかを評価すること。
• 有機フォトボルタイクスにおけるBHJ構造の内在的幾何的制限を理解するための理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• BHJ構造におけるドナー相とアクセプター相を、ランダムに混合されたナノ結晶として表す2次元幾何モデルの構築。
• 統計的幾何学的原則を用いて、ランダムなBHJネットワークにおける有効なドナー・アクセプター界面長の計算。
• 交互に配置されたドナーおよびアクセプターのストライプを有する周期的コンビブ構造との有効界面長の比較。
• 簡略化された周期的コンビブ構造を、単位体積あたりの界面面積の理論的上限として用いる。
• 幾何確率および空間分布解析を応用して、秩序の高い系で達成可能な最大界面長の推定。
• ランダムなBHJと理想のコンビブ構造との間の界面長の定量的比較により、根本的な幾何的制限を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムなBHJネットワークにおける有効なドナー・アクセプター界面長は、理想化された周期的コンビブ構造と比べてどのように異なるか？
• RQ2 BHJ材料におけるランダムな相分離は、電荷分離に必要な最大界面面積をどの程度制限するか？
• RQ3 幾何的制約にのみ基づいて、BHJ系における界面長の理論的上限は何か？
• RQ4 BHJ太陽電池で観察される約13％の効率上限は、構造自体に内在する幾何的制限に起因するだろうか？

主な発見

• ランダムなBHJ構造における有効なドナー・アクセプター界面長は、理想化されたコンビブ構造と比べて約2倍小さい。
• この幾何的制限は、材料の性質が完璧であっても、BHJ構造が理想のコンビブ設計と同等の界面面積を達成できないことを示している。
• モデルは、BHJ構造の本質的な構造的特徴が、界面面積に上限を設けており、これが電荷生成効率を直接制限していることを示している。
• 界面長が2倍に減少するという事実は、幾何的設計がBHJ有機太陽電池の現在の効率の plateau（停滞）の主な要因であることを示唆している。