[논문 리뷰] A quasi steady-state measurement of exciton diffusion lengths in organic semiconductors

Drew B. Riley, Oskar J. Sandberg외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 55인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 시간 해상도 없이 유기 반도체에서 흥 exciton의 확산 길이를 측정하기 위한 새로운 방법인 펄스형 PLQY를 소개한다. 몬테카를로 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 수행되었으며, 기존의 TRPL 선형화 방법에 비해 더 넓은 운영 창문과 더 낮은 조도 민감도를 보이며, 비풀러렌 수용체가 확산성능 향상으로 인해 더 긴 확산 길이를 가지며 태양전지에서 높은 전하 생성 수율을 보이는 이유를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• . 시간 분해 광발광(TRPL) 측정이 필요 없이 유기 반도체에서 흥 exciton의 확산 길이를 측정하기 위한 준정상 상태 방법을 개발한다.
• . 다양한 조도 조건에서 전통적인 TRPL 선형화 방법이 흥 exciton의 확산 길이 추출에 미치는 한계를 평가한다.
• . 몬테카를로 시뮬레이션과 P3HT에서의 실험적 테스트를 통해 새로운 방법인 펄스형 PLQY를 검증한다.
• . 비풀러렌 수용체(NFAs)의 확산 길이를 정량화하고, 풀러렌 기반 시스템과 비교하여 유기 태양전지에서의 높은 성능을 이해한다.
• . 저오프셋 NFA 태양전지에서 높은 전하 생성 수율을 가능하게 하는 확산성능 향상의 역할과 수명 연장의 기여도를 명확히 한다.

제안 방법

• . 얇은 필름 유기 반도체에서의 흥 exciton 동역학(확산, 재결합, 흥 exciton-exciton 상호작용(EEA))을 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 점프 모델을 사용한다.
• . 두 가지 분석 방법을 구현한다: 기존의 TRPL 선형화와 제안된 펄스형 PLQY로, 다양한 조도 조건에서 정상 상태 광발광 양자수효율(PLQY)을 이용해 확산 길이를 추출한다.
• . '운영 창문'을 정의하고 평가한다 — 시뮬레이션에서 입력된 값과 일치하는 확산 길이가 추출되는 조도 범위이다.
• . P3HT(잘 알려진 유기 반도체)에서 펄스형 PLQY 방법을 실험적으로 검증하고 TRPL 결과와 비교한다.
• . 비풀러렌 수용체(NFAs) 포함한 다양한 기술적 중요도가 있는 재료에서 확산 길이를 측정하기 위해 펄스형 PLQY를 적용한다.
• . EEA 데이터에서 확산 길이를 추출하기 위해 상호작용 계수와 가정된 포획 반경(GIWAXS d100 간격에서 유도)을 사용한다. 시뮬레이션과 실험 모두에서 적용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 시간 분해 측정이 필요 없이 준정상 상태 방법인 펄스형 PLQY가 유기 반도체에서 흥 exciton의 확산 길이를 정확히 측정할 수 있는가?
• RQ2 . 펄스형 PLQY의 운영 창문이 TRPL 선형화 방법에 비해 조도 범위 및 내구성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 . 비풀러렌 수용체(NFA) 태양전지에서 향상된 성능을 이끌어내는 데 확산성능 향상과 수명 연장 중 어떤 요소가 더 중요한가?
• RQ4 . NFAs의 확산 길이는 벤치마크 풀러렌 기반 시스템과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 . 포획 반경이 확산 길이 추출에 얼마나 영향을 미치며, 이를 구조적 데이터에서 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?

주요 결과

• . 펄스형 PLQY는 TRPL 선형화 방법보다 더 넓은 운영 창문을 보이며, 다양한 조도 조건에서 신뢰성 있는 확산 길이 추출이 가능하다.
• . 펄스형 PLQY는 TRPL 선형화 방법보다 조도 민감도가 낮아 실용적 응용에 더 강건하다.
• . 비풀러렌 수용체(NFAs)의 확산 길이는 풀러렌 기반 시스템보다 현저히 길며, 이 증가는 주로 수명 연장보다는 확산성능 향상에 기인한다.
• . PM6:Y6 NFA 시스템에서는 확산 길이가 100 nm를 초과하며, 저오프셋 태양전지에서의 높은 전하 생성 수율과 일치한다.
• . GIWAXS 측정에서의 d100 레이어 간격이 흥 exciton 포획 반경에 대한 신뢰할 수 있는 추정치를 제공함을 확인하였다.
• . P3HT에서의 실험적 검증 결과, 펄스형 PLQY와 TRPL 결과 간 양호한 일치를 보이며, 이는 방법의 정확성과 재현성을 확인한다.