Role of the charge transfer state in organic donor-acceptor solar cells

Advanced Materials

Volumn 22, Issue 37, 2010, Pages 4097-4111

  Deibe, Carsten ^a   Strobe, Thomas ^a,c   Dyakonov, Vladimir ^a,b  

^a UNIVERSITY OF WÜRZBURG   (Germany)

^b BAVARIAN CENTER FOR APPLIED ENERGY RESEARCH ZAE BAYERN   (Germany)

^c UNIVERSITY OF CAMBRIDGE   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BOUND CHARGE; CHARGE EXTRACTION; CHARGE PHOTOGENERATION; CHARGE TRANSFER COMPLEX; CHARGE TRANSFER STATE; CT COMPLEX; DONOR-ACCEPTORS; EXCESS ENERGY; EXPERIMENTAL EVIDENCE; FREE CHARGE; HETERO INTERFACES; INTERFACIAL CHARGE; OPTIMISATIONS; ORGANIC DONORS; ORGANIC SOLAR CELL; PHOTOVOLTAIC PERFORMANCE;

CHARGE TRANSFER; ELECTRIC CHARGE; GROUND STATE; MASS TRANSFER; OPEN CIRCUIT VOLTAGE; SOLAR CELLS;

ION EXCHANGE;

FULLERENE DERIVATIVE; POLYMER;

ARTICLE; CHEMISTRY; KINETICS; MONTE CARLO METHOD; QUANTUM THEORY; SOLAR ENERGY; THERMODYNAMICS;

FULLERENES; KINETICS; MONTE CARLO METHOD; POLYMERS; QUANTUM THEORY; SOLAR ENERGY; THERMODYNAMICS;

EID: 77957605610     PISSN: 09359648     EISSN: 15214095     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adma.201000376     Document Type: Article

References (127)

1. J. Peet, J. Y. Kim, N. E. Coates, W. L. Ma, D. Moses, A. J. Heeger,G. C. Bazan, Nat. Mater. 2007, 6, 497.
2. S. H. Park, A. Roy, S. Beaupre, S. Cho, N. Coates, J. S. Moon.D. Moses, M. Leclerc, K. Lee, A. J. Heeger, Nat Photon. 2009, 3, 297
3. Solarmer Inc. Press release: Solarmer breaks organic solar PV cell conversion effi ciency record, hits NREL-certifi ed 7.9%, 2009.
4. C. Brabec, U. Scherf, V. Dyakonov, Organic Photovoltaics, Wiley VCH, Weinheim, Germany 2008.
5. C. J. Brabec, J. Durrant, MRS Bull. 2008, 33, 670.
6. H. B̈ssler, V. Brandl, M. Deussen, E. O. Göbel, R. Kersting, H. Kurz, U. Lemmer, R. F. Mahrt, A. Ochse, Pure Appl. Chem. 1995, 67, 377.
7. D. Moses, J. Wang, A. J. Heeger, N. Kirova, S. Brazovski, P. Nat. Acad. Sci. 2001, 98, 13496.
8. The nature of primary photoexcitations in conjugated polymers, (Ed: N. S. Sariciftci), World Scientifi c, Singapore 997.
9. V. Dyakonov, E. Frankevich, Chem. Phys. 1998, 227, 203.
10. C. Arne J. Chem. Phys. 2005, 122, 244906.
11. M. C. Scharber, N. A. Schultz, N. S. Sariciftci, C. J. Brabec, Phys. Rev. B 2003, 67, 085202.
12. A. C. Morteani, P. Sreearunothai, L. M. Herz, R. H. Friend, C. Silva, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 247402.
13. L. Goris, A. Poruba, L. Hod'akova, M. Vanecek, K. Haenen, M.Nesladek, P. Wagner, D. Vanderzande, L. De Schepper, J. V. Manca, Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 052113.
14. Chunhong Yin, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 092117
15. M. Hallermann, S. Haneder, E. Da Como, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 053307
16. M. Hallermann, I. Kriegel, E. da Como, J. M. Berger, E. von Hauff, J. Feldmann, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 3662.
17. M. A. Loi, S. Toffanin, M. Muccini, M. Forster, U. Scherf, M. Scharber, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 2111.
18. T. Offermans, P. A. van Hal, S. C. J. Meskers, M. M. Koetse, R. A. J. Janssen, Phys. Rev. B 2005, 72, 045213.
19. Y. Zhou, K. Tvingstedt, F. Zhang, C. Du, W.-X. Ni, M. R. Andersson, O. Inganäs, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 3293.
20. T. Drori, C.-X. Sheng, A. Ndobe, S. Singh, J. Holt, Z. V. Vardeny, Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 037401
21. K. Vandewal, L. Goris, I. Haeldermans, M. Nesladek, K. Haenen, P. Wagner, J. V. Manca, Thin Solid Films 2008, 516, 7135.
22. K. Vandewal, A. Gadisa, W. D. Oosterbaan, S. Bertho, F. Banishoeib, I. Van Severen, L. Lutsen, T. J. Cleij, D. Vanderzande, J. V. Manca, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 2064.
23. H. Kim, J. Y. Kim, S. H. Park, K. Lee, Y. Jin, J. Kim, H. Suh, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 183502.
24. M. Yamada, T. Akasaka, S. Nagase, K. Tvingstedt, K. Vandewal, A. Gadisa, F. Zhang, J. Manca, O. Ingan̈s J. Am. Chem. Soc. 2009,131, 11819.
25. S. Westenhoff, I. A Howard, J. M. Hodgkiss, K. R. Kirov, Richard H. Friend, H. A. Bronstein, C. K. Williams, N. C. Greenham, V. Sundström, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13653.
26. V. I. Arkhipov, P. Heremans, H. Bässler, Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 4605
27. D. Veldman, Ö. Ipek, S. C. J. Meskers, J. Sweelssen, M. M. Koetse, S. C. Veenstra, J. M. Kron, S. S. van Bavel, J. Loos, R. A. J. Janssen,J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7721.
28. Y. Huang, S. Westenhoff, I. Avilov, P. Sreearunothai, J. M. Hodgkiss, C. Deleener, R. H. Friend, David Beljonne, Nat. Mater. 2008, 7, 483.
29. I. R. Gould, R. H. Young, L. J. Mueller, A. C. Albrecht, S. Farid, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8188.
30. K. Vandewal, W. D. Oosterbaan, S. Bertho, V. Vrindts, A. Gadisa, L. Lutsen, D. Vanderzande, J. V. Manca, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 12303.
31. M. Lenes, F. B. Kooistra, J. C. Hummelen, I. Van Severen, L. Lutsen, D. Vanderzande, T. J. Cleij, P. W. M. Blom, J. Appl. Phys. 2008, 104,114517.
32. J. J. Benson-Smith, L. Goris, K. Vandewal, K. Haenen, J. V. Manca, D. Vanderzande, D. D. C. Bradley, J. Nelson, Adv. Funct. Mater.2007, 17, 451.
33. D. Hertel, H. Baessler, Chem. Phys. Chem. 2008, 9, 666
34. C. Deibel, D. Mack, J. Gorenfl ot, A. Schöll, S. Krause, F. Reinert, D. Rauh, V. Dyakonov, Phys. Rev. B 2010, 81, 085202.
35. E. Collini, G. D Scholes, Science 2009, 323, 369.
36. L. W. Barbour, R. D. Pensack, M. Hegadorn, S. Arzhantsev, J. B. Asbury, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 3926.
37. N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger, F. Wudl, Science 1992, 258, 1474.
38. D. Veldman, S. C. J. Meskers, R. A. J. Janssen, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1.
39. C. Deibel, A. Wagenpfahl, V. Dyakonov, Phys. Rev. B 2009, 80, 075203.
40. V. D. Mihailetchi, L. J. A. Koster, J. C. Hummelen, P. W. M. Blom, Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 216601.
41. Valentin D. Mihailetchi, Hangxing Xie, Bert de Boer, Lacramioara M. Popescu, Jan C. Hummelen, Paul W. M. Blom, L. Jan Anton Koster, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 012107.
42. Gavin A. Buxton, Nigel Clarke, Modelling and simulation in materials science and engineering 2007, 15, 13.
43. M. M. Mandoc, W. Veurman, J. Sweelssen, M. M. Koetse, P. W. M. Blom, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 073518.
44. P. K. Watkins, A. B. Walker, G. L. B. Verschoor, Nano Lett. 2005, 5 1814.
45. R. A. Marsh, C. Groves, N. C. Greenham, J. Appl. Phys. 2007, 101, 083509.
46. C. Groves, R. A. Marsh, N. C. Greenham, J. Chem. Phys. 2008, 129, 114903
47. L. Meng, Y. Shang, Q. Li, Y. Li, X. Zhan, Z. Shuai, R. G. E. Kimber, A. B. Walker, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 36.
48. C. Deibel, T. Strobel, V. Dyakonov, Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 036402.
49. S. De, T. Pascher, M. Maiti, K. G. Jespersen, T. Kesti, F. Zhang, O. Inganäsand A. Yartsev, V. Sundström, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8466.
50. I. Montanari, A. F. Nogueira, J. Nelson, J. R. Durrant, C. Winder, M. A. Loi, N. S. Sariciftci, C. Brabec, Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 3001.
51. A. J. Mozer, G. Dennler, N. S. Sariciftci, M. Westerling, A. Pivrikas, R. Österbacka, G. Juška, Phys. Rev. B 2005, 72, 035217.
52. A. Pivrikas, N. S. Sariciftci, G. Juška, R. Österbacka, Prog. Photovolt. 2007, 15, 677.
53. C. Deibel, A. Baumann, V. Dyakonov, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 163303.
54. M. Pope, C. E. Swenberg, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2nd Ed. Oxford University Press, 1999.
55. T. A. Ford, H. Ohkita, S. Cook, J. R. Durrant, N. C. Greenham, Chem. Phys. Lett. 2008, 454, 237.
56. P. Peumans, S. R. Forrest, Chem. Phys. Lett. 2004, 398, 27.
57. T. Offermans, S. C. J. Meskers, R. A. J. Janssen, Chem. Phys. 2005, 308, 125.
58. I. G. Scheblykin, A. Yartsev, T. Pullerits, V. Gulbinas, V. Sundstrom, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6303.
59. T. R. Clarke, J. R. Durrant, Chem. Rev. 2010, doi:10.1021/ cr900271s.
60. T. Strobel, C. Deibel, V. Dyakonov, unpublished.
61. A. Wagenpfahl, D. Rauh, C. Deibel, V. Dyakonov, unpublished.
62. R. Sokel, R. C. Hughes, J. Appl. Phys. 1982, 53, 7414.
63. M. Limpinsel, A. Wagenpfahl, M. Mingebach, C. Deibel, V. Dyakonov, Phys. Rev. B 2010, 81, 085203.
64. C. Deibel, Phys. Stat. Sol. A 2009, 206, 2731.
65. L. Onsager, Phys. Rev. 1938, 54, 554.
66. C. L. Braun, J. Chem. Phys. 1984, 80, 4157.
67. P. Langevin, Ann. Chim. Phys. 1903, 28, 433.
68. M. Fuoss, F. Accascina, Electrolytic Conductance, Interscience,New York 1959.
69. L. Onsager, J. Chem. Phys. 1934, 2, 599
70. J. Noolandi, K. M. Hong, J. Chem. Phys. 1979, 70, 2320.
71. M. Wojcik, M. Tachiya, J. Chem. Phys. 2009, 130, 104107.
72. M. Tachiya, J. Chem. Phys.
73. V. D. Mihailetchi, L. J. A. Koster, P. W. M. Blom, C. Melzer, B. de Boer, J. K. J. van Duren, R. A. J. Janssen, Adv. Funct. Mater. 2005,15, 795.
74. S. Barth, H. Bässler, Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 4445.
75. J. Pan, U. Scherf, A. Schreiber, D. Haarer, J. Chem. Phys. 2000, 112,4305.
76. V. I. Arkhipov, E. V. Emelianova, H. Bässler, Phys. Rev. Lett. 1999,82, 1321.
77. M. Yokoyama, Y. Endo, A. Matsubara, H. Mikawa, J. Chem. Phys. 1981, 75, 3006.
78. V. D. Mihailetchi, L. J. A. Koster, P. W. M. Blom, Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 970.
79. H. Ohkita, S. Cook, Y. Astuti, W. Duffy, S. Tierney, W. Zhang,M. Heeney, I. McCulloch, J. Nelson, D. D. C. Bradley, J. R. Durrant,J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3030.
80. T. Clarke, A. Ballantyne, F. Jamieson, C. Brabec, J. Nelson,J. Durrant, Chem. Comm. 2009, 89.
81. R. A. Marcus, J. Chem. Phys. 1956, 24, 966.
82. R. A. Marcus, Rev. Mod. Phys. 1993, 120, 745.
83. J. Jortner, J. Chem. Phys. 1976, 64, 4860.
84. K. F. Freed, J. Jortner, J. Chem. Phys. 1970, 52, 6272.
85. P. F. Barbara, T. J. Meyer, M. A. Ratner, J. Phys. Chem. 1996, 100,13148.
86. A. Miller, E. Abrahams, Phys. Rev. 1960, 120, 745
87. H. Bässler, Phys. Stat. Sol. B 1993, 175, 15
88. James Kirkpatrick, Valentina Marcon, Jenny Nelson, Kurt Kremer,Denix Andrienko, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 227402
89. I. I. Fishchuk, A. Kadashchuk, H. Bässler, A. Köhler, Phys. Rev. B 2008, 78, 045211
90. T. Holstein, Ann. Phys. 1959, 8, 325.
91. T. Holstein, Ann. Phys. 1959, 8, 343.
92. D. Emin, Adv. Phys. 1975, 24, 305.
93. E. Gorham-Bergeron, D. Emin, Phys. Rev. B 1977, 15, 3667.
94. K. Hannewald, P. A. Bobbert, Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 1535
95. F. Ortmann, F. Bechstedt, K. Hannewald, Phys. Rev. B 2009, 79,235206.
96. J.-L. Brédas, J. E. Norton, J. Cornil, V. Coropceanu, Acc. Chem. Res.2009, 42, 1691.
97. A. Burquel, V. Lemaur, D. Beljonne, R. Lazzaroni, J. Cornil, J. Phys.Chem. A 2006, 110, 3447
98. T. Kawatsu, V. Coropceanu, A. Ye, J-L. Bredas, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 3429.
99. A. Devižis, A. Serbenta, K. Meerholz, D. Hertel, V. Gulbinas, Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 027404.
100. L. M. Andersson, O. Inganäs, Chem. Phys. 2009, 357, 120.
101. I.-W. Hwang, Q.-H. Xu, C. Soci, B. Chen, A. K.-Y. Jen, D. Moses,A. J. Heeger, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 563.
102. S. Verlaak, D. Beljonne, D. Cheyns, C. Rolin, M. Linares,F. Castet, J. Cornil, P. Heremans, Adv. Funct. Mater. 2009, 19,2809.
103. S. Verlaak, P. Heremans, Phys. Rev. B 2007, 75, 115127
104. W. Osikowicz, M. P. de Jong, W. R. Salaneck, Adv. Mater. 2007, 19,4213.
105. P. Sreearunothai, A. C. Morteani, I. Avilov, J. Cornil, D. Beljonne,R. H. Friend, R. T. Phillips, C. Silva, L. M. Herz, Phys. Rev. Lett.2006, 96, 117403.
106. V. I. Arkhipov, E. V. Emelianova, G. J. Adriaenssens, Phys. Rev. B 2001, 64, 125125
107. R. J. O. M. Hoofman, M. P. de Haas, L. D. A. Siebbeles, J. M. Warman, Nature 1998, 362, 54.
108. C. J. Brabec, A. Cravino, D. Meissner, N. S. Sariciftci, T. Fromherz,M. T. Rispens, L. Sanchez, J. C.Hummelen, Adv. Funct. Mater. 2001, 11, 374
109. A. Gadisa, M. Svensson, M. R. Andersson, O. Inganäs, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 1609.
110. B. P. Rand, D. P. Burk, S. R. Forrest, Phys. Rev. B 2007, 75,115327.
111. L. J. A. Koster, V. D. Mihailetchi, R. Ramaker, P. W. M. Blom, Appl.Phys. Lett. 2005, 86, 123509.
112. D Cheyns, J. Poortmans, P. Heremans, C. Deibel, S. Verlaak,B. O. P. Rand, J. Genoe, Phys. Rev. B 2008, 77, 165332.
113. C. M. Ramsdale, J. A. Barker, A. C. Arias, J. D. MacKenzie, R. H. Friend, N. C. Greenham, J. Appl. Phys. 2002, 92, 4266.
114. V. D. Mihailetchi, P. W. M. Blom, J. C. Hummelen, M. T. Rispens,J. Appl. Phys. 2003, 94, 6849.
115. K. Vandewal, K. Tvingstedt, A. Gadisa, O. Inganäs, J. V. Manca,Nat. Mater. 2009, 8, 904.
116. U. Rau, Phys. Rev. B 2007, 76, 085303.
117. T. Kirchartz, U. Rau, Phys. Stat. Sol. A 2008, 205, 2737.
118. W. Shockley, H. J. Queisser, J. Appl. Phys. 1961, 32, 510.
119. Jr. W. J. Potscavage, S. Yoo, B. Kippelen, Appl. Phys. Lett. 2008, 93,193308.
120. M. C. Scharber, D. M̈hlbacher, M. Koppe, P. Denk, C. Waldauf,A. J. Heeger, C. J. Brabec, Adv. Mater. 18, 789, 2006.
121. M. Lenes, G.-J. A. H. Wetzelaer, F. B. Kooistra, S. C. Veenstra,J. C. Hummelen, P. W. M. Blom, Adv. Mater. 2008, 20, 2116.
122. R. B. Ross, C. M. Cardona, D. M. Guldi, S. G. Sankaranarayanan,M. O. Reese, N. Kopidakis, J. Peet, B. Walker, G. C. Bazan, E. Van Keuren, B. C. Holloway, M. Drees, Nat. Mater. 2009, 8, 208
123. M. Dolores Perez, C. Borek, S. R. Forrest, M. E. Thompson, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9281.
124. C. Deibel, V. Dyakonov, Rep. Prog. Phys. 2010, arXiv:1003.0359.
125. C. G. Shuttle, B. O'Regan, A. M. Ballantyne, J. Nelson, D. D. C.Bradley, J. R. Durrant, Phys. Rev. B 2008, 78, 113201
126. A. Wagenpfahl, C. Deibel, V. Dyakonov, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2010, DOI: 10.1109/JSTQE.2010.2042142.
127. M. Yamada, T. Akasaka, S. Nagase, Acc. Chem. Res. 2010, 43, 92.