[論文レビュー] A novel graph-based formulation for characterizing morphology with application to organic solar cells

Olga Wodo, Srikanta Tirthapura+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2011

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、有機太陽電池のミクロ構造をラベル付きで重み付けされた無向グラフとしてモデル化する、画期的なグラフベースのフレームワークを提案する。このフレームワークにより、光吸収、励起子拡산、電荷分離、電荷輸送といった主要な光物理学的プロセスを定量的に分析できる。グラフ理論を活用することで、ミクロ構造の記述子と効率の上限値を効率的に計算でき、熱アニーリングの過程で電荷輸送が初期段階のボトルネックであることが明らかになった。最適なミクロ構造は $ ilde{t}=0.144$ で得られ、内部量子効率は84%に達する。

ABSTRACT

Organic solar cells have the potential for widespread usage due to their promise of low cost, roll-to-roll manufacturability, and mechanical flexibility. However, deployment is impeded by their relatively low power conversion efficiencies. The last decade has seen significant progress in enhancing the power conversion of these devices through various strategies. One such approach is based on morphology control. This is because morphology affects all phenomena involved in solar conversion: light absorption and electron-hole pair (exciton) generation; exciton diffusion and dissociation into free charges; and transport of charges to the electrodes. Progress in experimental characterization and computational modeling now allow reconstruction and imaging of the thin film morphology. This opens up the possibility of rationally linking fabrication with morphology, as well as morphology with performance. In this context, a comprehensive set of computational tools to rapidly quantify and classify the heterogeneous internal structure of thin films will be invaluable in linking process, structure and property. We present a novel graph-based framework to efficiently construct a broad suite of physically meaningful morphology descriptors. These morphology descriptors are further classified according to the physical subprocesses within an organic solar cells. The approach is motivated by the equivalence between a discretized morphology and a labeled, weighted, undirected graph. We utilize this approach to pose key questions related to structure characterization. We subsequently construct estimates and upper bounds of various efficiencies. The approach is showcased by characterizing the effect of thermal annealing on time-evolution of a thin film morphology. We conclude by formulating natural extensions to characterize crystallinity and anisotropy of the morphology using the framework.

研究の動機と目的

• ボリュームヘテロジュンクション有機太陽電池の複雑な2次元／3次元ミクロ構造を、包括的かつ計算的に効率的なフレームワークで定量的に分析すること。
• 製造プロセス（例：熱アニーリング）とミクロ構造、最終的にデバイス性能との間の物理的に意味のある記述子を結びつけること。
• 光吸収、励起子解離、電荷輸送に及ぼされるミクロ構造の複合的かつ矛盾する影響を個別に分解することで、これらのプロセスに起因する課題を解決すること。
• 各サブプロセスの効率に関する厳密な上限値と推定値を提供し、性能のベンチマークを可能にすること。
• 頂点および辺の性質を拡張することで、結晶性や異方性を含めたミクロ構造の特徴づけをフレームワークに拡張すること。

提案手法

• 2次元／3次元の薄膜ミクロ構造を、頂点が材料領域を表し、辺が接続性と距離を表すラベル付きで重み付けされた無向グラフとして表現する。
• 標準的なグラフアルゴリズムを用いて、各光物理学的プロセスに不可欠な距離依存および接続性依存の指標を計算する。
• 光吸収、励起子拡散、電荷分離、電荷輸送の4つのサブプロセスにわたるミクロ構造の系統的分析のための6つの主要な特徴化質問を定式化する。
• グラフ理論的定式化を用いて、各サブプロセスの効率の上限値を導出する。具体的には $\eta_{abs}^{upp}$、$\eta_{diss}^{upp}$、$\eta_{out}^{upp}$ などの上限を算出する。
• 吸収深さモデルを用いて光吸収効率を補正する：$\eta_{abs}^{est} = \frac{I_0 \int_0^{h_{tot}} M(x) e^{-x/H_d} dx}{I_0 \int_0^{h_{tot}} dh}$。
• フレームワークを3次元および周期的構造に拡張し、追加の頂点および辺の性質を導入することで、結晶性や異方性を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機太陽電池の動作における4つのサブプロセス（光吸収、励起子拡散、電荷分離、電荷輸送）にわたるミクロ構造を、どのように系統的に特徴づけられるか？
• RQ2 各サブプロセスに対して物理的意味を持つミクロ構造の特徴を捉えるために、どのようなグラフ理論的指標が有効か？
• RQ3 熱アニーリングの過程で、各サブプロセスの効率上限値はどのように変化するのか？また、それらは性能のボトルネックをどのように明らかにするか？
• RQ4 内部量子効率の観点から最適なミクロ構造は何か？また、その最適化はどの時間点に達成されるか？
• RQ5 グラフフレームワークは、ミクロ構造における結晶性や異方性をどのように拡張して組み込むことができるか？

主な発見

• 熱アニーリングの過程で、電荷輸送が初期段階の性能ボトルネックである。電荷輸送の効率向上は、励起子解離の向上を上回る。
• $\tilde{t} = 0.144$ を超えると、励起子解離が支配的なボトルネックとなり、電荷輸送の改善にもかかわらず、全体の効率が制限される。
• 最適なミクロ構造は $\tilde{t} = 0.144$ で得られ、内部量子効率は84%に達する。これは、実験的に報告された最高値と一致する。
• 上限値の結果から、最適点における $\eta_{abs}^{upp} = 50\%$、$\eta_{diss}^{upp} = 98\%$、$\eta_{out}^{upp} = 86\%$ が得られ、さらなる改善の余地が大きいことが示された。
• 粒子状構造を示すミクロ構造は、インタラペネトレートドネットワークに比べて著しく低い推定効率を示し、コンタクトパスの形成が不可欠であることが強調された。
• グラフベースのフレームワークは次元に依存せず、頂点および辺の性質を拡張することで、3次元、周期的、結晶性、異方性を持つミクロ構造へ自然に拡張可能である。