[논문 리뷰] Two-dimensional coherent photocurrent excitation spectroscopy in a polymer solar cell

Eleonora Vella, Pascal Grégoire외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 25.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고분자 태양전지에서 초고속 전하 생성 동역학을 탐구하기 위해 이중 차원의 공명 광전류 자극 분광법(2DPC)을 도입한다. 피코초 해상도로 2D 광전류 스펙트럼에서 비대칭 스펙트럼 상관관계를 측정함으로써, 고분자 엑시톤과 확산된 전하이동 상태 사이의 공명 결합이 드러나며, 실험 데이터는 예측된 양자역학적 모델에 따르면 소음에 의해 유도된 공 resonance 터널링과 일치하는 100 meV의 비대칭 신호를 보여준다.

ABSTRACT

In high-performance solar cells based on polymeric semiconductors, the mechanism of photocarrier generation on $<100$-fs timescales is yet to be unravelled. In particular the dynamics of early-time electronic coupling between excitons on polymer chains and charge-transfer states need to be investigated in order to develop a detailed picture of ultrafast processes involved in photocurrent production. In this proceeding, we report preliminary measurements using a novel spectroscopy that can measure such correlations: two-dimensional coherent photocurrent excitation spectroscopy. This nonlinear technique measures off-diagonal spectral correlations in a two-dimensional photocurrent excitation spectrum. We interpret these sectroscopic measurements in light of recent theoretical predictions.

연구 동기 및 목표

• 고분자 반도체에서 100 fs 이내의 초고속 광전자 생성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 높은 결합 에너지(~0.5 eV)를 지닌 강하게 결합된 고분자 사슬 상의 엑시톤이 빠르게 자유 전하로 진화하는 방식에 대한 해결되지 않은 질문을 다루기 위해.
• 국소화된 엑시톤 상태와 확산된 전하이동 상태 사이의 비대칭 결합을 탐지할 수 있는 새로운 비선형 분광 기법을 개발하고 적용하기 위해.
• 유기 태양전지의 작동 조건에서 직접적으로 광전류 자극 스펙트럼을 측정함으로써, 초기 전하 생성과 관련된 상관관계를 관찰할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 연구는 초음파-광학 위상 조절 기반의 네 펄스, 공선 피코초 레이저 장치를 사용하여 초고속 자극 시퀀스를 생성한다.
• 이중 차원 광전류 자극 분광법(2DPC)을 사용하여 재결합 및 비재결합 2D 스펙트럼을 기록하며, 신호 검출은 이중 채널 락인 증폭기를 통해 수행된다.
• 재결합 및 비재결합 스펙트럼을 합산하여 총 상관관계 함수 맵을 구성함으로써 신호 대 잡음 비율을 향상시키고 비대칭 교차 피크를 드러낸다.
• 실험적 2DPC 스펙트럼은 국소화된 엑시톤 상태와 전하분리 상태 사이의 소음에 의해 유도되는 전이를 포함한 유한 온도의 양자역학적 모델에 기반한 이론적 시뮬레이션과 비교된다.
• 광전류 응답의 초기 동역학을 탐사하기 위해 인구 대기 시간을 50 fs로 설정한다.
• 이 기술은 실제 장치 작동 조건을 반영한 작동 중인 고분자 태양전지에 적용되어 실제 광전류 생성과의 관련성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고분자 태양전지에서 초고속 전하 분리 과정 중 고분자 사슬 내 엑시톤과 확산된 전하이동 상태 사이의 전자적 결합의 성격은 무엇인가?
• RQ2 2D 광전류 스펙트럼에서의 비대칭 스펙트럼 상관관계는 초기 단계의 전하 생성에 관여하는 공명 동역학을 드러낼 수 있는가?
• RQ3 환경의 변동성(잡음)은 100 fs 이내의 시간 스케일에서 국소화된 엑시톤에서 확산된 전하 운반체로의 전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실험적 2DPC 스펙트럼이 엑시톤 상태와 전하분리 상태 사이의 소음에 의해 유도된 공 resonance 터널링을 예측한 이론적 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 2DPC 분광법은 이전의 일시적 흡수 및 라만 분석에서 제안된 바와 같이, 빠른 전자-정공 분리 메커니즘을 해명할 수 있는가?

주요 결과

• 2DPC 실험은 작동 중인 고분자 태양전지에서 고신호 대 잡음 비율의 2D 광전류 스펙트럼을 성공적으로 기록하여, 운영 조건 하에서 이 기술의 실현 가능성을 입증했다.
• 총 상관관계 스펙트럼에서 대각선에서 약 100 meV 상단에 뚜렷한 비대칭 신호가 관측되어 엑시톤 상태와 확산된 전하이동 상태 사이의 스펙트럼 결합을 나타낸다.
• 실험적 2DPC 스펙트럼은 고에너지 꼬리와 비대칭 선형형태를 보이며, 초기 전하 분리에 관여하는 공명적이고 확산된 상태의 존재를 일관되게 뒷받침한다.
• 100 meV에서 관측된 비대칭 신호는 엑시톤과 전하분리 상태 사이의 소음에 의해 유도된 공 resonance 터널링을 포함한 유한 온도의 양자역학적 모델에 의해 이론적으로 예측된 결과와 일치한다.
• 자료는 고분자 태양전지에서 초고속 전하 생성이 순차적인 국소화된 전하이동 상태가 아닌, 공명적이고 확산된 경로를 통해 일어나는 것으로 나타나는 가설을 지지한다.
• 결과는 환경의 변동성이 국소화된 엑시톤에서 확산된 전하 운반체로의 빠른 공명적 전이를 가능하게 하여, 높은 결합 에너지에도 불구하고 높은 내부 양자 효율을 설명하는 데 직접적인 실험적 증거를 제공한다.