[論文レビュー] Network analysis of the performance of organic photovoltaic cells: The open circuit voltage and the zero current efficiency

Mario Einax, Abraham Nitzan|arXiv (Cornell University)|May 21, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 74被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、遷移のサイクルを有する状態ネットワークとして運動論的過程をモデル化することにより、有機フォトボルタイクス（OPV）セルにおける開放電圧およびゼロ電流効率の限界をネットワーク理論的枠組みで分析する手法を提示する。励起子結合エネルギーおよび非放射的再結合による効率損失を定量化し、実際のパrameter条件下で理論的最高効率が0.85に達することを示し、Carnot限界の0.95から10%低い値である。

ABSTRACT

Photovoltaic energy conversion in photovoltaic cells has been analyzed by the detailed balance approach or by thermodynamic arguments. Here we introduce a network representation to analyze the performance of such systems once a suitable kinetic model (represented by a master equation in the space of the different system states) has been constructed. Such network representation allows one to decompose the steady state dynamics into cycles, characterized by their cycle affinities. The maximum achievable efficiency of the device is obtained in the zero affinity limit. This method is applied to analyze a microscopic model for a bulk heterojunction organic solar cell that includes the essential optical and interfacial electronic processes that characterize this system, leading to an explicit expression for the theoretical efficiency limit in such system. In particular, the deviation from Carnot's efficiency associated with the exciton binding energy is quantified.

研究の動機と目的

• 運動論的モデルにネットワーク理論を適用することで、光電変換効率を分析する一般化された枠組みを構築すること。
• 有機ブルークヘテロジャンクション（BHJ）太陽電池における開放電圧およびゼロ電流効率の根本的限界を特定すること。
• 励起子結合エネルギーおよび非放射的再結合プロセスによって引き起こされるCarnot効率からの逸脱を定量化すること。
• OPVシステムにおけるエネルギー変換経路を透明でサイクルベースの分解法で提示すること。
• 単純なモデルにとどまらず、複数の状態と遷移を有する複雑で現実的な光電変換システムへも適用可能な手法を確立すること。

提案手法

• 光電変換システムの運動論的ダイナミクスを、ノードがシステムの状態、エッジが遷移率である有向グラフとして表現する。
• グラフ理論を用いてネットワークを独立したサイクルに分解し、各サイクルはサイクルアフィニティで特徴づけられる。
• ゼロアフィニティ極限（平衡状態）を用いて理論的最高開放電圧および効率を導出する。
• 詳細な釣り合い条件を適用し、前向きおよび後向きの遷移率比を自由エネルギー差の式で表現する。
• 光学吸収、励起子形成、電荷移動、再結合プロセスを統合した6状態運動論モデルを構築する。
• サイクルアフィニティおよびエネルギー準位のオフセットを分析することで、開放電圧および熱力学的効率の解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想化された条件下における有機フォトボルタイクスセルにおける開放電圧の理論的上限は何か？
• RQ2 励起子結合エネルギーおよび非放射的再結合は、Carnot限界を下回る効率にどのように寄与するか？
• RQ3 ネットワーク理論は、光電変換プロセスの透明でサイクルベースの分解を可能にするか？
• RQ4 サイクルダイナミクスのゼロアフィニティ極限は、定常状態の光電変換における最大効率とどのように関係するか？
• RQ5 運動論的パラメータおよび状態遷移は、有機太陽電池の最終的効率にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 最大開放電圧は、光子エネルギー、バンドオフセット、および励起子結合エネルギーと非放射的再結合によるエネルギー損失のバランスによって決定される。
• BHJ-OPVセルの現実的6状態モデルにおいて、理論的最高効率は0.85であり、300 Kおよび6000 Kの光源温度下でCarnot限界の0.95から10%低い値である。
• 開放電圧は解析式 Δμ^OC = η^C × ΔE_D − V_C により正確に再現され、ここで η^C = 0.95 かつ V_C = 0.15 eV であり、Δμ^OC = 1.275 eV が得られる。
• アフィニティがゼロ（平衡）であるサイクルが開放電圧の挙動を支配し、ネットワークにそれらが存在しない場合、効率は詳細釣り合いおよびエネルギー準位の整合性によってのみ支配される。
• この枠組みは、ドナー系における非放射的再結合が効率損失の主な要因であることを確認しており、エネルギーオフセット V_C によって定量的に評価できる。
• マスター方程式の数値的解法により、解析的予測が確認され、導出式とシミュレーション結果が完全に一致した。