[论文解读] Energy Efficient Dissociation of Excitons to Free Charges

Maxim Tabachnyk, Samuel Smith+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2017

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 31被引用 3

一句话总结

本研究表明，通过利用熵增，激子体系中的内能电荷分离可实现接近单位效率且电压损失极小，从而在50 ps内克服了五苯并/富勒烯体系中220 meV的库仑势垒。该工作揭示，激子型太阳能电池在效率上并不逊色于直接生成自由电荷的体系，其相对于三线态激子能量的有效开路电压损失仅为400 meV。

ABSTRACT

In photovoltaics (PVs) and artificial photosynthetic systems based on excitons, the question of how energy must be lost in overcoming the Coulomb barrier, converting excitons to free charges, is fundamental, as it determines the achievable open-circuit voltage or over-potential1-3. Here, using transient and steady-state optical spectroscopy we study a model system, pentacene/C60, where pentacene triplet excitons are dissociated to form charge transfer states, which we show to be degenerate in energy with the triplet excitons. We directly track these charge transfer states undergoing efficient long-range separation to free charges within 50 ps, despite a significant Coulomb barrier that we measure to be 220 meV. We model this endothermic charge separation to be driven by entropic gain. Our results demonstrate that endothermic charge separation can proceed rapidly with near unity efficiency, overcoming Coulomb barriers greater than 200meV via a gain in entropy, thus minimising loss of open-circuit voltage or over-potential. In the pentacene/C60 system this leads here to an effective VOC loss of only 400meV with respect to the energy of the triplet exciton. This suggests that excitonic photoconversion systems have no fundamental disadvantage compared to systems which generate free changes directly upon photoexcitation.

研究动机与目标

• 理解激子型太阳能电池在激子向自由电荷转化过程中能量损失的机制。
• 研究尽管存在显著库仑势垒，内能电荷分离是否仍能高效发生。
• 确定熵在驱动模型有机异质结中电荷分离过程中的作用。
• 量化激子体系中开路电压损失相对于初始激子能量的大小。
• 评估激子体系与直接生成自由电荷的体系相比是否存在根本性的效率劣势。

提出的方法

• 采用瞬态和稳态光学光谱技术，追踪五苯并/C60异质结中三线态激子和电荷转移态的动力学行为。
• 测量三线态激子与电荷转移态之间的能级排列，以确认其简并性。
• 利用时间分辨光谱技术，在50 ps时间尺度上捕捉电荷分离的动力学过程。
• 通过光谱分析实验量化库仑势垒为220 meV。
• 应用热力学模型，表明熵增驱动了内能电荷分离过程。
• 计算得出相对于三线态激子能量的有效开路电压损失为400 meV。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在较大的库仑势垒，内能电荷分离是否能在有机异质结中高效发生？
• RQ2 当过程为能量上行时，熵在促进电荷分离中起到何种作用？
• RQ3 激子体系中的开路电压损失与初始激子能量相比如何？
• RQ4 与直接生成自由电荷的体系相比，激子体系是否存在根本性的效率劣势？
• RQ5 在五苯并/C60中，激子解离后长程电荷分离的时间尺度是多少？

主要发现

• 尽管存在220 meV的库仑势垒，五苯并/C60中的电荷分离在50 ps内完成，表明动力学过程极为迅速。
• 电荷转移态与三线态激子在能量上简并，从而实现了高效的种群转移。
• 熵增驱动了内能电荷分离过程，显著降低了能量损失。
• 相对于三线态激子能量，有效开路电压损失仅为400 meV，远低于预期。
• 该体系在将激子转化为自由电荷的过程中实现了接近单位量子效率。
• 结果表明，当有效利用熵时，激子体系在库仑势垒影响下不会在效率上受到根本性限制。