[论文解读] A quasi steady-state measurement of exciton diffusion lengths in organic semiconductors

Drew B. Riley, Oskar J. Sandberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 55被引用 25

一句话总结

本文提出脉冲-PLQY（pulsed-PLQY）这一新方法，无需时间分辨测量即可测定有机半导体中的激子扩散长度，结合蒙特卡罗模拟与实验验证。结果表明，与传统的TRPL线性化方法相比，脉冲-PLQY具有更宽的操作窗口且对激发通量的敏感性更低；同时发现，非富勒烯受主由于扩散系数增强，表现出显著更长的扩散长度，从而解释了其在太阳能电池中高量子产额的成因。

ABSTRACT

Understanding the role that exciton diffusion plays in organic solar cells is a crucial to understanding the recent rise in power conversion effciencies brought about by non-fullerene acceptors (NFA). Established methods for measuring exciton diffusion lengths in organic solar cells require specialized equipment designed for measuring high-resolution time-resolved photoluminescence (TRPL). Here we introduce a technique, coined pulsed-PLQY, to measure the diffusion length of organic solar cells without any temporal measurements. Using a Monte-Carlo model we simulate the dynamics within a thin film semiconductor and analyse the results using both pulsed-PLQY and TRPL methods. We find that pulsed-PLQY has a larger operational region and depends less on the excitation fuence than the TRPL approach. We validate these simulated results by preforming both measurements on organic thin films and reproduce the predicted trends. Pulsed-PLQY is then used to evaluate the diffusion length in a variety of technologically relevant organic semiconductors. It is found that the diffusion lengths in NFA's are much larger than in the benchmark fullerene and that this increase is driven by an increase in diffusivity.

研究动机与目标

• 开发一种准稳态方法，用于在无需时间分辨光致发光（TRPL）测量的情况下测定有机半导体中的激子扩散长度。
• 评估传统TRPL线性化方法在不同激发密度下提取激子扩散长度时的局限性。
• 通过蒙特卡罗模拟与P3HT的实验测试，验证一种新方法——脉冲-PLQY。
• 量化非富勒烯受主（NFAs）中的扩散长度，并与富勒烯基体系进行比较，以理解其在有机太阳能电池中高性能的成因。
• 阐明在低能级偏移的NFA太阳能电池中，扩散系数的提升与激子寿命延长在实现高电荷生成量子产额中的相对作用。

提出的方法

• 采用蒙特卡罗跳跃模型模拟薄膜有机半导体中的激子动力学，包括扩散、复合以及激子-激子湮灭（EEA）。
• 实施两种分析方法：传统TRPL线性化方法与所提出的脉冲-PLQY方法，后者通过在不同激发密度下测量稳态光致发光量子产率（PLQY）来提取扩散长度。
• 定义并评估“操作窗口”——即在模拟中提取的扩散长度与输入值匹配的激发密度范围。
• 在P3HT（一种已充分表征的有机半导体）上实验验证脉冲-PLQY方法，并与TRPL结果进行比较。
• 将脉冲-PLQY方法应用于一系列具有技术相关性的材料，包括非富勒烯受主（NFAs）。
• 利用湮灭系数与假设的捕获半径（由GIWAXS的d100间距得出）从EEA数据中提取扩散长度，适用于模拟与实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 像脉冲-PLQY这样的准稳态方法是否能在无需时间分辨测量的情况下准确测定有机半导体中的激子扩散长度？
• RQ2 与TRPL线性化相比，脉冲-PLQY的操作窗口在激发密度范围和鲁棒性方面表现如何？
• RQ3 在非富勒烯受主（NFA）有机太阳能电池中，扩散系数与激子寿命在性能提升中的作用分别是什么？
• RQ4 非富勒烯受主（NFAs）中的扩散长度与基准富勒烯基体系相比如何？
• RQ5 捕获半径在多大程度上影响扩散长度的提取？能否从结构数据中可靠估计该参数？

主要发现

• 脉冲-PLQY的操作窗口明显大于TRPL线性化方法，可在更宽的激发密度范围内实现可靠的扩散长度提取。
• 与TRPL线性化相比，脉冲-PLQY对激发通量的敏感性更低，因此在实际应用中更具鲁棒性。
• 非富勒烯受主（NFAs）中的扩散长度显著长于富勒烯基体系，且该提升主要源于扩散系数的增强，而非激子寿命的延长。
• 在PM6:Y6 NFA体系中，扩散长度超过100 nm，与低能级偏移太阳能电池中高电荷生成效率一致。
• 本研究证实，GIWAXS测得的d100层间距可作为激子捕获半径的可靠估算值。
• 在P3HT上的实验验证表明，脉冲-PLQY与TRPL结果高度一致，证实了该方法的准确性与可重复性。