Role of structural order and excess energy on ultrafast free charge generation in hybrid polythiophene/si photovoltaics probed in real time by near-infrared broadband transient absorption

Journal of the American Chemical Society

Volumn 133, Issue 45, 2011, Pages 18220-18233

  Herrmann, Daniel ^a   Niesar, Sabrina ^b   Scharsich, Christina ^c   Köhler, Anna ^c   Stutzmann, Martin ^b   Riedle, Eberhard ^a  

^a UNIVERSITY OF MUNICH   (Germany)

^b WALTER SCHOTTKY INSTITUT   (Germany)

^c UNIVERSITY OF BAYREUTH   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BULK HETEROJUNCTION; CHARGE GENERATION; ELECTRON ACCEPTOR; EXCESS ENERGY; EXCITATION INTENSITY; EXCITATION WAVELENGTH; FREE CHARGE; FREE CHARGE CARRIERS; GEMINATE RECOMBINATION; LOSS MECHANISMS; MATERIAL COMBINATION; NEAR INFRARED; ORGANIC-INORGANIC; PHOTOCONVERSION; PHOTOVOLTAICS; POLARON FORMATION; POLY (3-HEXYLTHIOPHENE); POLY-THIOPHENE; PUMP WAVELENGTH; REAL TIME; REGIO-REGULAR; REGIORANDOM; RR-P3HT; SINGLET EXCITONS; SITE SELECTIVE; STRUCTURAL ORDERS; TIME EVOLUTIONS; TIME RESOLUTION; TRANSFER TIME; TRANSIENT ABSORPTION; TRANSIENT ABSORPTION SPECTROSCOPIES; TRANSIENT SPECIES; ULTRA-FAST; ULTRAFAST ELECTRON TRANSFER; UV-VIS-NIR;

ABSORPTION; CHARGE CARRIERS; ELECTRON ENERGY LOSS SPECTROSCOPY; ENERGY TRANSFER; EXCITONS; HETEROJUNCTIONS; HYBRID MATERIALS; INFRARED DEVICES; PHOTOVOLTAIC EFFECTS; POLARONS; QUANTUM YIELD; SOLAR ENERGY;

ABSORPTION SPECTROSCOPY;

SILICON;

ABSORPTION SPECTROSCOPY; ARTICLE; ELECTRICITY; ELECTRON TRANSPORT; FILM; LIGHT ABSORPTION; NEAR INFRARED SPECTROSCOPY;

ELECTRIC POWER SUPPLIES; MOLECULAR STRUCTURE; POLYMERS; SILICON; SOLAR ENERGY; THIOPHENES;

EID: 80755129206     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja207887q     Document Type: Article

References (89)

1. Thompson, B. C.; Fréchet, J. M. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 58-77
2. Brabec, C. J.; Sariciftci, N. S.; Hummelen, J. C. Adv. Funct. Mater. 2001, 11, 15-26
3. Park, S. H.; Roy, A.; Beaupré, S.; Cho, S.; Coates, N.; Moon, J. S.; Moses, D.; Leclerc, M.; Lee, K.; Heeger, A. J. Nat. Photonics 2009, 3, 297-303
4. Gur, I.; Fromer, N. A.; Geier, M. L.; Alivisatos, A. P. Science 2005, 3, 462-465
5. Jabbour, G. E.; Doderer, D. Nat. Photonics 2010, 4, 604
6. Huynh, W. U.; Dittmer, J. J.; Alivisatos, A. P. Science 2002, 295, 2425-2427
7. Oosterhout, S. D.; Wienk, M. M.; van Bavel, S. S.; Thiedmann, R.; Koster, L. J. A.; Gilot, J.; Loos, J.; Schmidt, V.; Janssen, R. A. J. Nat. Mater. 2009, 8, 810-824
8. Liu, C.-Y.; Holman, Z. C.; Kortshagen, U. R. Nano Lett. 2009, 9, 449-452
9. Dietmueller, R.; Stegner, A. R.; Lechner, R.; Niesar, S.; Pereira, R. N.; Brandt, M. S.; Ebbers, A.; Trocha, M.; Wiggers, H.; Stutzmann, M. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 113301
10. Niesar, S.; Dietmueller, R.; Nesswetter, H.; Wiggers, H.; Stutzmann, M. Phys. Status Solidi A 2009, 206, 2775-2781
11. Beek, W. J. E.; Wienk, M. M.; Janssen, R. A. J. Adv. Funct. Mat. 2006, 16, 1112-1116
12. Briseno, A. L.; Holcombe, T. W.; Boukai, A. I.; Garnett, E. C.; Shelton, S. W.; Fréchet, J. M. C.; Yang, P. Nano Lett. 2010, 10, 334-340
13. Liu, J.; Kadnikova, E. N.; Liu, Y.; McGehee, M. D.; Fréchet, J. M. J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9486-9487
14. Liu, J.; Tanaka, T.; Sivula, K.; Alivisatos, A. P.; Fréchet, J. M. J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 6550-6551
15. McDonald, S. A.; Konstantatos, G.; Zhang, S.; Cyr, P. W.; Klem, E. J. D.; Levina, L.; Sargent, E. H. Nat. Mater. 2005, 4, 138-142
16. Howard, I. A.; Mauer, R.; Meister, M.; Laquai, F. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14866-14876
17. Kim, Y.; Cook, S.; Tuladhar, S. M.; Choulis, S. A.; Nelson, J.; Durrant, J. R.; Bradley, D. D. C.; Giles, M.; McCulloch, I.; Ha, C.-S.; Ree, M. Nat. Mater. 2006, 5, 197-203
18. Peet, J.; Kim, J. Y.; Coates, N. E.; Ma, W. L.; Moses, D.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C. Nat. Mater. 2007, 6, 497-500
19. Clarke, T.; Ballantyne, A. M.; Nelson, J.; Bradley, D. D. C.; Durrant, J. R. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 4029-4035
20. Spano, F. C. J. Chem. Phys. 2005, 122, 234701
21. Clark, J.; Silva, C.; Friend, R. H.; Spano, F. C Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 206406
22. McCullough, R. D.; Tristram-Nagle, S.; Williams, S. P.; Lowe, R. D.; Jayaraman, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 4910-4911
23. Chen, T.-A.; Wu, X; Rieke, R. D. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 233-244
24. Sirringhaus, H.; Brown, P. J.; Friend, R. H.; Nielsen, M. M.; Bechgaard, K.; Langeveld-Voss, B. M. W.; Spiering, A. J. H.; Janssen, R. A. J.; Meijer, E. W.; Herwig, P.; de Leeuw, D. M. Nature 1999, 401, 685-688
25. Österbacka, R.; An, C. P.; Jiang, X. M.; Vardeny, Z. V. Science 2000, 287, 839-842
26. Chang, J.-F.; Clark, J.; Zhao, N.; Sirringhaus, H.; Breiby, D. W.; Andreasen, J. W.; Nielsen, M. M.; Giles, M.; Heeney, M.; McCulloch, I. Phys. Rev. B 2006, 74, 115318
27. Mauer, R.; Kastler, M.; Laquai, F. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2085-2092
28. Brabec, C. J.; Zerza, G.; Cerullo, G.; De Silvestri, S.; Luzzati, S.; Hummelen, J. C.; Sariciftci, S. Chem. Phys. Lett. 2001, 340, 232-236
29. Piris, J.; Dykstra, T. E.; Bakulin, A. A.; van Loosdrecht, P. H. M.; Knulst, W.; Trinh, M. T.; Schins, J. M.; Siebbeles, L. D. A. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 14500-14506
30. Guo, J.; Ohkita, H.; Benten, H.; Ito, S. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6154-6164
31. Banerji, N.; Cowan, S.; Leclerc, M.; Vauthey, E.; Heeger, A. J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17459-17470
32. Brabec, C. J.; Gowrisankar, S.; Halls, J. J. M.; Laird, D.; Jia, S.; Williams, S. P. Adv. Mater. 2010, 22, 3839-3856
33. Guo, J.; Ohkita, H.; Benten, H.; Ito, S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16869-16880
34. Etzold, F.; Howard, I. A.; Mauer, R.; Meister, M.; Kim, T.-D.; Lee, K.-S.; Baek, N. S.; Laquai, F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9469-9479
35. Grancini, G.; Polli, D.; Fazzi, D.; Cabanillas-Gonzalez, J.; Cerullo, G.; Lanzani, G. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1099
36. Yoshino, K.; Hayashi, S.; Sugimoto, R. Jpn. J. Appl. Phys. 1984, 23, L899
37. Khan, A. L. T.; Sreearunothai, P.; Herz, L. M.; Banach, M. J.; Köhler, A. Phys. Rev. B 2004, 69, 085201
38. Campbell, A. R.; Hodgkiss, J. M.; Westenhoff, S.; Howard, I. A.; Marsh, R. A.; McNeill, C. R.; Friend, R. H.; Greenham, N. C. Nano Lett. 2008, 8, 3942-3947
39. Scharsich, C; Lohwasser, R.; Asawapirom, U.; Scherf, U.; Thelakkat, M.; Köhler, A. Manuscript submitted, 2011.
40. Knipping, J.; Wiggers, H.; Rellinghaus, B.; Roth, P.; Konjhodzic, D.; Meier, C. J. Nanosci. Nanotechnol. 2004, 4, 1039-1044
41. Germack, D. S.; Chan, C. K.; Kline, R. J.; Fischer, D. A.; Gundlach, D. J.; Toney, M. F.; Richter, L. J.; DeLongchamp, D. M. Macromolecules 2010, 43, 3828-3836
42. Scholz, M.; Gjukic, M.; Stutzmann, M. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 012108
43. Megerle, U.; Pugliesi, I.; Schriever, C.; Sailer, C. F.; Riedle, E. Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2009, 96, 215-231
44. Wilhelm, T.; Piel, J.; Riedle, E. Opt. Lett. 1997, 22, 1494-1496
45. Riedle, E.; Beutter, M.; Lochbrunner, S.; Piel, J.; Schenkl, S.; Spörlein, S.; Zinth, W. Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2000, 71, 457-465
46. Bradler, M.; Baum, P.; Riedle, E. Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2009, 97, 561-574
47. Clark, J.; Chang, J.-F.; Spano, F. C.; Friend, R. H.; Silva, C. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 163306
48. Xu, B.; Holdcroft, S. Macromolecules 1993, 26, 4457-4460
49. Singh, R. K; Kumar, J.; Singh, R.; Kant, R.; Rastogi, R. C.; Chand, S.; Kumar, V. New J. Phys. 2006, 8, 112
50. Schueppel, R.; Schmidt, K.; Uhrich, C.; Schulze, K.; Wynands, D.; Brédas, J. L.; Brier, E.; Reinold, E.; Bu, H.-B.; Baeuerle, P.; Maennig, B.; Pfeiffer, M.; Leo, K. Phys. Rev. B 2008, 77, 085311
51. Jian, X. M.; Österbacka, R.; Korovyanko, O.; An, C. P.; Horovitz, B.; Janssen, R. A. J.; Vardeny, Z. V. Adv. Funct. Mater. 2002, 12, 587-597
52. van Hal, P. A.; Christiaans, M. P. T.; Wienk, M. M.; Kroon, J. M.; Janssen, R. A. J. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4352
53. Albert-Seifried, S; Friend, R. H. Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 223304
54. Klessinger, M.; Michl, J. Excited States and Photochemistry of Organic Molecules; VCH Publishers, Inc.: New York, 1995; p 36.
55. Köhler, A.; Bässler, H. Mater. Sci. Eng., R 2009, 66, 71-109
56. Ohkita, H.; Cook, S.; Astuti, Y.; Duffy, W.; Tierny, S.; Zhang, W.; Heeney, M.; McCulloch, I.; Nelson, J.; Bradley, D. D. C.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3030-3042
57. Tsoi, W. C.; Spencer, S. J.; Yang, L.; Ballantyne, A. M.; Nicholson, P. G.; Turnball, A.; Shard, A. G.; Murphy, C. E.; Bradley, D. D. C.; Nelson, J.; Kim, J.-S. Macromolecules 2011, 44, 2944-2952
58. Niesar, S.; Stegner, A. R.; Pereira, R. N.; Hoeb, M.; Wiggers, H.; Brandt, M. S.; Stutzmann, M. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 193112
59. Houston, P. L. Chemical Kinetics and Reaction Dynamics; Dover Publications, Inc.: Mineola, NY, 2001; pp 56-58.
60. Middleton, C. T.; de La Harpe, K.; Su, C.; Law, Y. K.; Crespo-Hernández, C. E.; Kohler, B. Annu. Rev. Phys. Chem. 2009, 60, 217
61. Polli, D.; Altoè, P.; Weingart, O.; Spillane, K. M.; Manzoni, C.; Brida, D.; Tomasello, G.; Orlandi, G.; Kukura, P.; Mathies, R. A.; Garavelli, M.; Cerullo, G. Nature 2010, 467, 440
62. Chudoba, C.; Lutgen, S.; Jentzsch, T.; Riedle, E.; Woerner, M.; Elsaesser, T. Chem. Phys. Lett. 1995, 240, 35
63. Sobolewski, A. L.; Domcke, W.; Hättig, C. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 6301
64. Petersson, J.; Eklund, M.; Davidsson, J.; Hammarström, L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7940
65. Domcke, W.; Yarkony, D. R.; Köppel, H. Conical Intersections: Electronic Structure, Dynamics & Spectroscopy (Advanced Series in Physical Chemistry); World Scientific Publishing Co., Inc.: Singapore, 2004.
66. Köppel, H.; Domcke, W.; Yarkony, D. R. Conical Intersections: Theory, Computation and Experiments (Advanced Series in Physical Chemistry); World Scientific Publishing Co., Inc.: Singapore, 2011.
67. Ruseckas, A.; Wood, P.; Samual, I. D. W.; Webster, G. R.; Mitchell, W. J.; Burn, P. L.; Sundström, V. Phys. Rev. B 2005, 72, 115214
68. Hwang, I.; Scholes, G. D. Chem. Mater. 2011, 23, 610-620
69. Lin, H.; Tian, Y.; Zapadka, K.; Persson, G.; Thomsson, D.; Mirzov, O.; Larsson, P.-O.; Widengren, J.; Scheblykin, I. G. Nano Lett. 2009, 9, 4456
70. Laquai, F.; Park, Y.-S.; Kim, J.-J.; Basché, T. Macromol. Rapid Commun. 2009, 30, 1203-1231
71. Movaghar, B.; Grünewald, M.; Ries, B.; Bässler, H.; Würtz, D. Phys. Rev. B 1986, 33, 5545-5554
72. Gulbinas, V.; Zaushitsyn, Y.; Sundström, V.; Hertel, D.; Bässler, H.; Yartsev, A. Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 107401
73. Shuttle, C. G.; ORegan, B.; Ballantyne, A. M.; Nelson, J.; Bradley, D. D. C.; Durrant, J. R. Phys. Rev. B 2008, 78, 113201
74. Dogariu, A.; Vacar, D.; Heeger, A. J. Phys. Rev. B 1998, 58, 10218-10224
75. Köhler, A.; dos Santos, D. A.; Beljonne, D.; Shuai, Z.; Brédas, J,-L.; Kraus, A.; Müllen, K.; Friend, R. H. Nature 1998, 392, 903-906
76. Ferguson, A. J.; Kopidakis, N.; Shaheen, S. E.; Rumbles, G. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 9865-9871
77. Howard, I. A.; Hodgkiss, J. M.; Zhang, X.; Kirov, K. R.; Bronstein, H. A.; Williams, C. K.; Friend, R. H.; Westenhoff, S.; Greenham, N. C. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 328-335
78. Shuttle, C. G.; Hamilton, R.; ORegan, B. C.; Nelson, J.; Durrant, J. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107, 16448-16452
79. Mauer, R.; Howard, I. A.; Laquai, F. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3500-3505
80. Frolov, S. V.; Bao, Z.; Wohlgenannt, M.; Vardeny, Z. V. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 2196-2199
81. Stevens, M. A.; Silca, C.; Russell, D. M.; Friend, R. H. Phys. Rev. B 2001, 63, 165213
82. Silva, C.; Dhoot, A. S.; Russell, D. M.; Stevens, M. A.; Arias, A. C.; MacKenzie, J. D.; Greenham, N. C.; Friend, R. H. Phys. Rev. B 2001, 64, 125211
83. Arkhipov, V. I.; Emelianova, E. V.; Bässler, H. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 1321-1324
84. Zenz, C.; Lanzani, G.; Cerullo, G.; Graupner, W.; Leising, G.; Scherf, U.; DeSilvestri, S. Synth. Met. 2001, 116, 27-30
85. Parkinson, P.; Müller, C.; Stingelin, N.; Johnson, M. B.; Herz, L. M. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2788-2792
86. Westenhoff, S.; Beenken, W. J. D.; Friend, R. H.; Greenham, N. C.; Yartsev, A.; Sundström, V. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 166804
87. Hodgkiss, J. M.; Campbell, A. R.; Marsh, R. A.; Rao, A.; Albert-Seifried, S.; Friend, R. H. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 177701
88. Kim, J. Y.; Lee, K.; Coates, N. E.; Moses, D.; Nguyen, T.-Q.; Dante, M.; Heeger, A. J. Science 2007, 317, 222-225
89. Gilot, J.; Wienk, M. M.; Janssen, R. A. J. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 143512