[논문 리뷰] Energy Efficient Dissociation of Excitons to Free Charges

Maxim Tabachnyk, Samuel Smith외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 12.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 엔트로피 증가를 활용하여 50 ps 이내에 펜타센/C60 내에서 220 meV의 쿨롱 장벽을 극복하면서 열성 전하 분리가 거의 단일 효율성으로, 최소한의 전압 손실을 동반하여 진행될 수 있음을 보여준다. 이는 흡수체 광발전 시스템이 직접 자유 전하를 생성하는 시스템에 비해 기본적인 효율적 열등성이 없음을 드러내며, 삼중자 흡수체 에너지 대비 효과적인 개방회로 전압 손실이 400 meV에 불과하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 흡수체 광발전에서 흡수체에서 자유 전하로의 전환 과정 중 에너지 손실 메커니즘을 이해하기 위해.
• 큰 쿨롱 장벽이 존재함에도 불구하고 열성 전하 분리가 효율적으로 일어날 수 있는지 조사하기 위해.
• 모델 유기 이방성 접합에서 엔트로피가 전하 분리 과정을 어떻게 이끄는지 규명하기 위해.
• 초기 흡수체 에너지 대비 흡수체 시스템에서의 개방회로 전압 손실을 정량화하기 위해.
• 흡수체 시스템이 직접 자유 전하를 생성하는 시스템에 비해 본질적으로 열등한가 평가하기 위해.

제안 방법

• 삼중자 흡수체와 전하 이동 상태의 동적 거동를 추적하기 위해 일시적 및 정적 광학 분광법을 사용하였다.
• 삼중자 흡수체와 전하 이동 상태 사이의 에너지 수준 정렬을 측정하여, 둘이 에너지적으로 등가임을 확인하였다.
• 시간 해상도 분광법을 통해 50 ps 시간 스케일에서 전하 분리 동적 거동를 측정하였다.
• 스펙트로스코픽 분 析를 통해 실험적으로 쿨롱 장벽을 220 meV로 정량화하였다.
• 열역학적 모델을 적용하여 엔트로피 증가가 열성 전하 분리를 이끄는 것을 보여주었다.
• 삼중자 흡수체 에너지 대비 효과적인 개방회로 전압 손실을 400 meV로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 쿨롱 장벽이 존재함에도 불구하고 유기 이방성 접합에서 열성 전하 분리가 효율적으로 일어날 수 있는가?
• RQ2 에너지적으로 상승하는 과정에서 엔트로피는 전하 분리를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 흡수체 시스템에서의 개방회로 전압 손실은 초깃값 흡수체 에너지와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 흡수체 광발전 시스템은 직접 자유 전하를 생성하는 시스템에 비해 본질적으로 효율적 열등성이 있는가?
• RQ5 펜타센/C60에서 흡수체 해리 이후 장거리 전하 분리가 일어나는 시간 스케일은 무엇인가?

주요 결과

• 펜타센/C60에서 220 meV의 쿨롱 장벽이 존재함에도 불구하고 전하 분리는 50 ps 이내에 발생하여 빠른 동역학을 보였다.
• 전하 이동 상태는 삼중자 흡수체와 에너지적으로 등가이므로 효율적인 인구 전이가 가능하다.
• 엔트로피 증가가 열성 전하 분리 과정을 이끌어내어 에너지 손실을 최소화한다.
• 삼중자 흡수체 에너지 대비 효과적인 개방회로 전압 손실은 단지 400 meV에 불과하여 예상보다 훨씬 낮다.
• 흡수체를 자유 전하로 변환하는 데 있어 거의 단일 효율성의 양자 효율이 달성되었다.
• 결과적으로 엔트로피를 활용할 경우 쿨롱 장벽으로 인한 효율적 제한이 흡수체 시스템에 본질적으로 존재하지 않음을 입증하였다.