[논문 리뷰] Ultrafast charge separation in organic photovoltaics enhanced by charge delocalization and vibronically hot exciton dissociation

Hiroyuki Tamura, Irène Burghardt|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 11.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 1인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 유기 태양전지에서 초고속 전하 분리가 두 가지 핵심 메커니즘에 의해 이끌린다는 것을 밝혀냈다: 전하의 국소화 방지로 전자와 정공 간의 쿨롱 장벽을 감소시키는 것과, 과잉 진동 에너지를 통해 쿨롱 장벽을 초월해 전하 분리를 촉진하는 진동자기로 뜨거운 엑시톤 분리. 이러한 효과들은 저에너지 오프셋을 가진 기부체-수용체 이종접합에서도 효율적인 자유 전하 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In organic photovoltaics, the mechanism by which free electrons and holes are generated overcoming the Coulomb attraction is a currently much debated topic. To elucidate this mechanism at a molecular level, we carried out a combined electronic structure and quantum dynamical analysis that captures the elementary events from the exciton dissociation to the free carrier generation at polymer/fullerene donor-acceptor heterojunctions. Our calculations show that experimentally observed efficient charge separations can be explained by a combination of two effects: First, the delocalization of charges which substantially reduces the Coulomb barrier, and second, the vibronically hot nature of the charge transfer state which promotes charge dissociation beyond the barrier. These effects facilitate an ultrafast charge separation even at low-band-offset heterojunctions.

연구 동기 및 목표

• 유기 태양전지에서 자유 전하 운반자의 분자 수준의 기구를 이해하기 위해.
• 기부체-수용체 이종접합에서 전하 분리가 쿨롱 인력에 의해 어떻게 극복되는지에 대한 논쟁을 해결하기 위해.
• 초고속 전하 이동 과정에서 전자 구조와 원자핵 운동의 역할을 조사하기 위해.
• 전하 국소화와 진동자기 자극이 효율적인 전하 분리에 기여하는 정도를 규명하기 위해.
• 저에너지 오프셋 시스템에서 관찰된 높은 양자 수율을 설명하기 위해.

제안 방법

• 폴리머/풀러렌 이종접합의 에너지 구조를 모델링하기 위해 통합 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 엑시톤과 전하 이동 상태의 시간에 따른 진화를 추적하기 위해 비어도바틱 양자역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 진동자기 결합 효과를 통합하여 진동 뜨거운 상태가 전하 분리를 촉진하는 역할를 고려하였다.
• 전자와 정공 간의 쿨롱 상호작용 에너지에 대한 전하 국소화의 영향을 분석하였다.
• 엑시톤 형성에서 자유 전하 생성에 이르는 전 과정을 시뮬레이션하기 위해 시간에 따라 변화하는 양자역학적 방법을 사용하였다.
• 고에너지 오프셋 시나리오와의 비교를 통해 저에너지 오프셋이 전하 분리 효율성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 국소화는 유기 태양전지 이종접합에서 쿨롱 장벽을 어떻게 감소시키는가?
• RQ2 진동자기 자극은 쿨롱 장벽을 초월해 전하 분리를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 저에너지 오프셋 유기 태양전지 시스템에서도 효율적인 전하 분리를 관찰할 수 있는가?
• RQ4 초고속 역학은 자유 전하 운반자의 생성에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 전자 구조와 원자핵 운동은 함께 전하 분리 기구를 어떻게 지배하는가?

주요 결과

• 전하 국소화는 전자와 정공 간의 쿨롱 결합 에너지를 크게 감소시켜 빠른 전하 분리를 촉진한다.
• 진동자기로 뜨거운 전하 이동 상태는 쿨롱 장벽을 초월해 분리시키는 데 필요한 초과 에너지를 제공하며 수율을 향상시킨다.
• 초고속 전하 분리는 100 fs 이내의 시간 스케일에서 발생하며, 실험 관측 결과와 일치한다.
• 국소화와 진동자기 자극의 조합은 저에너지 오프셋에서도 효율적인 전하 생성을 가능하게 한다.
• 비어도바틱 역학 시뮬레이션은 전자 및 진동 자유도가 정확한 모델링에 필수적임을 확인한다.
• 이 메커니즘은 저에너지 오프셋 시스템에서의 높은 외부 양자 효율을 설명하며, 오랫동안 남아있던 유기 태양전지 분야의 수수께끼를 해결한다.