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Single-Walled Carbon Nanotubes as an Additive in Organic Photovoltaics: Effects on Carrier Generation and Recombination Dynamics
Solar RRL ( IF 6.0 ) Pub Date : 2022-01-11 , DOI: 10.1002/solr.202101010 Abasi Abudulimu 1, 2 , Klaus Eckstein 3 , Mirella El Gemayel 4 , Imge Namal 3 , Adam Phillips 2 , Randy J. Ellingson 2 , Michael J. Heben 2 , Tobias Hertel 3 , Sebastian B. Meier 4 , Larry Lüer 1, 5
Solar RRL ( IF 6.0 ) Pub Date : 2022-01-11 , DOI: 10.1002/solr.202101010 Abasi Abudulimu 1, 2 , Klaus Eckstein 3 , Mirella El Gemayel 4 , Imge Namal 3 , Adam Phillips 2 , Randy J. Ellingson 2 , Michael J. Heben 2 , Tobias Hertel 3 , Sebastian B. Meier 4 , Larry Lüer 1, 5
Affiliation
Employing single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as an additive in the active layer of organic photovoltaics (OPV) to improve charge extraction is gaining weight in the research community. While SWNTs can transport charge carriers orders of magnitudes faster than conventional polymers, they also quench excitons and trap-free charges, reducing device performance. Such influences of SWNTs on OPV device performance remain inadequately explored and incompletely understood. Herein, the impact of SWNTs, enriched in (6,5) chirality, on the charge generation and extraction properties of two different OPV devices is studied by femtosecond-microsecond transient absorption spectroscopy and transient photovoltage/photocurrent techniques. It is shown that depending on the donor material properties (e.g., energetics), SWNTs can reduce carrier generation by quenching the excitons and increase carrier recombination through trapping processes. Then, by performing an analytical calculation of the current–voltage characteristics of the devices using the parameters determined via the transient measurements, it is shown that the increased recombination also relates to morphological changes induced by the SWNTs. These results shed light on the performance limiting factors of the SWNTs when incorporated into the active layer of the solar cells. This work thus can accelerate the blend optimization process for high-performance organic solar cells.
中文翻译:
单壁碳纳米管作为有机光伏添加剂:对载流子生成和复合动力学的影响
使用单壁碳纳米管 (SWNT) 作为有机光伏 (OPV) 活性层中的添加剂以改善电荷提取在研究界越来越重要。虽然 SWNT 可以比传统聚合物快几个数量级地传输电荷载流子,但它们也会淬灭激子和无陷阱电荷,从而降低器件性能。SWNT 对 OPV 器件性能的这种影响仍未得到充分探索和不完全理解。在此,通过飞秒-微秒瞬态吸收光谱和瞬态光电压/光电流技术研究了富含 (6,5) 手性的 SWNT 对两种不同 OPV 器件的电荷产生和提取特性的影响。结果表明,取决于供体材料特性(例如,能量学),SWNT可以通过淬灭激子来减少载流子的产生,并通过俘获过程增加载流子的复合。然后,通过使用通过瞬态测量确定的参数对器件的电流 - 电压特性进行分析计算,表明增加的重组也与 SWNT 引起的形态变化有关。这些结果揭示了当 SWNT 并入太阳能电池的有源层时的性能限制因素。因此,这项工作可以加速高性能有机太阳能电池的混合优化过程。通过使用通过瞬态测量确定的参数对器件的电流 - 电压特性进行分析计算,表明增加的重组也与 SWNT 引起的形态变化有关。这些结果揭示了当 SWNT 并入太阳能电池的有源层时的性能限制因素。因此,这项工作可以加速高性能有机太阳能电池的混合优化过程。通过使用通过瞬态测量确定的参数对器件的电流 - 电压特性进行分析计算,表明增加的重组也与 SWNT 引起的形态变化有关。这些结果揭示了当 SWNT 并入太阳能电池的有源层时的性能限制因素。因此,这项工作可以加速高性能有机太阳能电池的混合优化过程。
更新日期:2022-01-11
中文翻译:
单壁碳纳米管作为有机光伏添加剂:对载流子生成和复合动力学的影响
使用单壁碳纳米管 (SWNT) 作为有机光伏 (OPV) 活性层中的添加剂以改善电荷提取在研究界越来越重要。虽然 SWNT 可以比传统聚合物快几个数量级地传输电荷载流子,但它们也会淬灭激子和无陷阱电荷,从而降低器件性能。SWNT 对 OPV 器件性能的这种影响仍未得到充分探索和不完全理解。在此,通过飞秒-微秒瞬态吸收光谱和瞬态光电压/光电流技术研究了富含 (6,5) 手性的 SWNT 对两种不同 OPV 器件的电荷产生和提取特性的影响。结果表明,取决于供体材料特性(例如,能量学),SWNT可以通过淬灭激子来减少载流子的产生,并通过俘获过程增加载流子的复合。然后,通过使用通过瞬态测量确定的参数对器件的电流 - 电压特性进行分析计算,表明增加的重组也与 SWNT 引起的形态变化有关。这些结果揭示了当 SWNT 并入太阳能电池的有源层时的性能限制因素。因此,这项工作可以加速高性能有机太阳能电池的混合优化过程。通过使用通过瞬态测量确定的参数对器件的电流 - 电压特性进行分析计算,表明增加的重组也与 SWNT 引起的形态变化有关。这些结果揭示了当 SWNT 并入太阳能电池的有源层时的性能限制因素。因此,这项工作可以加速高性能有机太阳能电池的混合优化过程。通过使用通过瞬态测量确定的参数对器件的电流 - 电压特性进行分析计算,表明增加的重组也与 SWNT 引起的形态变化有关。这些结果揭示了当 SWNT 并入太阳能电池的有源层时的性能限制因素。因此,这项工作可以加速高性能有机太阳能电池的混合优化过程。