[논문 리뷰] General Rules for the Impact of Energetic Disorder and Mobility on Nongeminate Recombination in Phase-Separated Organic Solar Cells

Guangzheng Zuo, Safa Shoaee외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 12.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 66인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 비균일한 유기 태양전지에서 비공생 재결합(NGR)이 자유 전하의 만남과 전하이동(CT) 상태의 재분열 사이의 경쟁에 의해 지배됨을 밝혀내기 위해 운동역학 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다. 핵심 발견은 재분열 지배 영역에서 재결합 계수 𝑘₂가 이동도와 에너지 불순도에 영향을 받지 않고 오직 형태학, CT 에너네틱스, CT 붕괴 역학에만 의존함을 보여주며, 이는 랑제브 한계를 초월해 재결합을 억제할 수 있는 길을 제시한다.

ABSTRACT

State of the art organic solar cells exhibit power conversion efficiencies of 18 % and above. These devices benefit from the suppression of free charge recombination with regard to the Langevin-limit of charge encounter in a homogeneous medium. It has been recognized that the main cause of suppressed free charge recombination is the reformation and resplitting of charge transfer states at the interface between donor and acceptor domains. Here, we use kinetic Monte Carlo simulations to understand the interplay between free charge motion and recombination in an energetically-disordered phase-separated donor-acceptor blend. We identify conditions for encounter-dominated and resplitting-dominated recombination. In the former regime, recombination is proportional to mobility for all parameters tested and only slightly reduced with respect to the Langevin limit. In contrast, mobility is not the decisive parameter determining the non-geminate recombination coefficient k_2in the latter case where k_2 is a sole function of the morphology, CT and CS energetics and CT states decay properties. Our simulations also show that free charge encounter in the phase-separated disordered blend is determined by the average mobility of all carriers, while CT reformation and resplitting involves mostly states near the transport energy. Therefore, charge encounter is more affected by increased disorder than the resplitting of the CT state. As a consequence, for a given mobility, larger energetic disorder in combination with a higher hopping rate is preferred. These findings have important implications for the understanding of suppressed recombination in solar cells with non-fullerene acceptors which are known to exhibit lower energetic disorder than fullerenes.

연구 동기 및 목표

• 상분리된 유기 태양전지에서 에너지 불순도, 캐리어 이동도, 비공생 재결합(NGR) 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 현대 비풀러렌 수용체(NFA) 시스템을 배경으로 하여 NGR이 만남 제한 영역인지 재분열 제한 영역인지에 도달하는 조건을 규명하기 위해.
• 비균일한 상분리 혼합물에서 두 번째 차수 재결합 계수 𝑘₂를 지배하는 요소가 이동도인지 CT 상태 역학인지 명확히 하기 위해.
• 이동도와 무관하게 에너지 불순도와 터널링 빈도를 별도로 최적화함으로써 𝑘₂를 최소화할 수 있는 설계 원칙을 도출하기 위해.

제안 방법

• 비균일하고 상분리된 기부체-수용체 혼합물에서 자유 전하의 운동과 재결합을 위한 운동역학 몬테카를로(kMC) 시뮬레이션.
• 이동도와 재결합 의존성 탐색을 위해 도약 시도 주파수 𝜈₀과 에너지 불순도 𝜎를 체계적으로 변화시킴.
• 전하이동(CT) 상태 형성, 자유 실린더로의 재분열, 기저 상태로의 붕괴를 속도 상수 𝑘𝑓를 통해 모델링.
• 비교를 위한 기준선으로 랑제브 만남 계수 𝑘𝐿 = 𝑞(𝜇ₑ + 𝜇ₕ)/𝜀₀𝜀ᵣ 를 사용.
• 균형 상태까지의 잠시 동안의 재결합 역학을 시뮬레이션하여 추출-재결합 균형을 평가.
• 만남 비율이 이동도와 불순도에 따라 변하는 것을 반영한 효과적 재결합 계수 𝑘₂(𝑡) = 𝑘𝑓 / (𝑘𝑓 + 𝑐𝜈₀𝛾ₑₙ꜀𝑘𝐿(𝑡)) 를 유도함, 여기서 𝛾ₑₙ꜀ 는 만남 비율의 이동도 및 불순도 의존성을 캡처함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 불순도는 상분리된 유기 태양전지에서 자유 전하 만남과 CT 상태 재분열 간의 균형에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 NGR이 자유 전하 만남이 아닌 CT 상태 재분열에 의해 지배되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 재분열 지배 영역에서 두 번째 차수 재결합 계수 𝑘₂는 캐리어 이동도에 얼마나 의존하는가?
• RQ4 평균 이동도와 운반 에너지는 비균일한 혼합물에서 재결합 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고효율 유기 태양전지에서 NGR의 억제는 만남 제한에서 재분열 지배로의 전이에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 만남 지배 영역에서는 𝑘₂가 이동도에 비례하며, 에너지 불순도에 상관없이 랑제브 한계 대비 최대 50% 감소하는 것으로 나타남.
• 재분열 지배 영역에서는 𝑘₂가 이동도와 도약 시도 주파수 𝜈₀에 모두 영향을 받지 않으며, 오직 형태학, CT 에너네틱스, CT 붕괴 특성에만 의존함.
• 일정한 이동도에서 에너지 불순도(𝜎)를 증가시키면 𝑘₂가 더 강하게 억제되며, 이는 전하 만남이 재분열보다 불순도에 더 민감하기 때문임.
• 고불순도와 고도약 빈도 조건에서 재결합 감소 요소는 최대 10⁻³까지 도달할 수 있으며, 풀러렌 기반 혼합물의 실험 관측 결과와 일치함.
• CT 상태 형성은 양쪽 캐리어가 운반 에너지로 열적 여기를 겪는 것을 포함하므로, 만남 과정이 재분열 과정보다 불순도에 더 민감함.
• 모oleular 및 형태학적 설계를 통해 𝑘₂를 독립적으로 감소시키고 이동도를 증가시킴으로써, FOM 𝛼₂ = 𝑞²𝑘₂𝐺𝑑⁴ / (4𝜇ₑ𝜇ₕ(𝑘𝐵𝑇)²) 를 쇼크리의 영역(𝛼₂ < 1)으로 낮출 수 있음.