Charge formation, recombination, and sweep-out dynamics in organic solar cells

Advanced Functional Materials

Volumn 22, Issue 6, 2012, Pages 1116-1128

  Cowan, Sarah R ^a,b   Banerji, Natalie ^a   Leong, Wei Lin ^a   Heeger, Alan J ^a  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY   (United States)

Author keywords

charge transfer; photoexcitation; polymer solar cells; recombination

Indexed keywords

BENZOTHIADIAZOLES; BIMOLECULAR RECOMBINATION; BULK HETEROJUNCTION; CHARGE FORMATION; CHARGE SEPARATIONS; DUAL-PULSES; EXCITON FORMATION; FEMTOSECOND TIME-RESOLVED; INTERNAL FIELD; OPEN CIRCUITS; ORGANIC BULK-HETEROJUNCTION SOLAR CELLS; ORGANIC SOLAR CELL; PHOTOGENERATED CARRIERS; PHYSICAL PROCESS; POLYMER SOLAR CELLS; RECOMBINATION; RECOMBINATION LOSS; TRANSIENT PHOTOCONDUCTIVITY; UP-CONVERSION;

CHARGE TRANSFER; EXPERIMENTS; HETEROJUNCTIONS; OPTIMIZATION; PHOTOEXCITATION; POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS; SOLAR CELLS;

NANOSTRUCTURED MATERIALS;

EID: 84858387274     PISSN: 1616301X     EISSN: 16163028     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adfm.201101632     Document Type: Article

References (135)

1. S. H. Park, A. Roy, S. Beaupre, S. Cho, N. Coates, J. S. Moon, D. Moses, M. Leclerc, K. Lee, A. J. Heeger, Nat. Photonics 2009, 3, 297.
2. Konarka Technologies Inc., Konarka's Power Plastic Achieves World Record 8.3% Efficiency Certification from National Energy Renewable Laboratory (NREL), Nov. 29, 2010.
3. BusinessWire, Solarmer Energy, Inc. Breaks Psychological Barrier with 8.13% OPV Efficiency, July 27, 2010,.
4. Y. Liang, Z. Xu, J. Xia, S.-T. Tsai, Y. Wu, G. Li, C. Ray, L. Yu, Adv. Mater. 2010, 22, E135.
5. N. Blouin, A. Michaud, D. Gendron, S. Wakim, E. Blair, R. Neagu-Plesu, M. Belletete, G. Durocher, Y. Tao, M. Leclerc, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 732.
6. Y. Sun, C. J. Takacs, S. R. Cowan, J. H. Seo, X. Gong, A. Roy, A. J. Heeger, Adv. Mater. 2011, 23, 2226.
7. E. Voroshazi, B. Verreet, T. Aernouts, P. Heremans, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2011, 95, 1303.
8. M. S. White, D. C. Olson, S. E. Shaheen, N. Kopidakis, D. S. Ginley, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 143517.
9. J. A. Hauch, P. Schilinsky, S. A. Choulis, R. Childers, M. Biele, C. J. Brabec, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2008, 92, 727.
10. F. C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 394.
11. C. N. Hoth, S. A. Choulis, P. Schilinsky, C. J. Brabec, Adv. Mater. 2007, 19, 3973.
12. F. C. Krebs, M. Jorgensen, K. Norrman, O. Hagemann, J. Alstrup, T. D. Nielsen, J. Fyenbo, K. Larsen, J. Kristensen, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 422.
13. S. E. Shaheen, R. Radspinner, N. Peyghambarian, G. E. Jabbour, Appl. Phys. Lett. 2001, 79, 2996.
14. C. Girotto, B. P. Rand, J. Genoe, P. Heremans, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 454.
15. K. X. Steirer, M. O. Reese, B. L. Rupert, N. Kopidakis, D. C. Olson, R. T. Collins, D. S. Ginley, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 447.
16. F. C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 465.
17. S. S. Kim, S. I. Na, J. Jo, G. Tae, D. Y. Kim, Adv. Mater. 2007, 19, 4410.
18. K. Norrman, A. Ghanbari-Siahkali, N. B. Larsen, Annu. Rep. Prog. Chem. Sect. C: Phys. Chem. 2005, 101, 174.
19. P. Schilinsky, C. Waldauf, C. J. Brabec, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1669.
20. A. J. Heeger, N. S. Sariciftci, E. B. Namdas, Semiconducting and Metallic Polymers, Oxford University Press, Oxford, UK 2010.
21. C. J. Brabec, S. Gowrisanker, J. J. M. Halls, D. Laird, S. Jia, S. P. Williams, Adv. Mater. 2010, 22, 3839.
22. C. Deibel, V. Dyakonov, Rep. Prog. Phys. 2010, 73, 096401.
23. C. Deibel, V. Dyakonov, C. J. Brabec, IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron 2010, 16, 1517.
24. G. Dennler, M. C. Scharber, C. J. Brabec, Adv. Mater. 2009, 21, 1323.
25. A. J. Heeger, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 2354.
26. M. Helgesen, R. Sondergaard, F. C. Krebs, J. Mater. Chem. 2010, 20, 36.
27. D. Chen, A. Nakahara, D. Wei, D. Nordlund, T. P. Russell, Nano Lett. 2010, 11, 561.
28. M. Dante, A. Garcia, T. Q. Nguyen, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1596.
29. T. Erb, U. Zhokhavets, G. Gobsch, S. Raleva, B. Stuhn, P. Schilinsky, C. Waldauf, C. J. Brabec, Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1193.
30. J. S. Moon, C. J. Takacs, S. Cho, R. C. Coffin, H. Kim, G. C. Bazan, A. J. Heeger, Nano Lett. 2010, 10, 4005.
31. A. J. Parnell, A. J. Cadby, O. O. Mykhaylyk, A. D. F. Dunbar, P. E. Hopkinson, A. M. Donald, R. A. L. Jones, Macromolecules 2011, 44, 6503.
32. B. Walker, A. B. Tomayo, X. D. Dang, P. Zalar, J. H. Seo, A. Garcia, M. Tantiwiwat, T. Q. Nguyen, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 3063.
33. I. G. Scheblykin, A. Yartsev, T. Pullerits, V. Gulbinas, V. Sundstrom, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6303.
34. W. Barford, Electronic and optical properties of conjugated polymers, Oxford University Press, Oxford, UK 2005.
35. G. Lanzani, G. Cerullo, D. Polli, A. Gambetta, M. Zavelani-Rossi, C. Gadermaier, Phys. Status Solidi A 2004, 201, 1116.
36. N. S. Sariciftci, Primary photoexcitations in conjugated polymers: Molecular exciton versus semiconductor band model, World Scientific, Singapore 1997.
37. N. Banerji, S. Cowan, M. Leclerc, E. Vauthey, A. J. Heeger, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17459.
38. N. Banerji, S. Cowan, E. Vauthey, A. J. Heeger, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 9726.
39. M. M. L. Grage, T. Pullerits, A. Ruseckas, M. Theander, O. Inganas, V. Sundstrom, Chem. Phys. Lett. 2001, 339, 96.
40. M. M. L. Grage, Y. Zaushitsyn, A. Yartsev, M. Chachisvilis, V. Sundstrom, T. Pullerits, Phys. Rev. B 2003, 67, 205207.
41. G. R. Hayes, I. D. W. Samuel, R. T. Phillips, Phys. Rev. B 1995, 52, 1 1569.
42. G. R. Hayes, I. D. W. Samuel, R. T. Phillips, Synth. Met. 1997, 84, 889.
43. T. E. Dykstra, V. Kovalevskij, X. J. Yang, G. D. Scholes, Chem. Phys. 2005, 318, 21.
44. S. P. Kennedy, N. Garro, R. T. Phillips, Phys. Rev. B 2001, 6411, 115206.
45. R. Kersting, U. Lemmer, R. F. Mahrt, K. Leo, H. Kurz, H. Bassler, E. O. Gobel, Phys. Rev. Lett. 1993, 70, 3820.
46. R. Kersting, B. Mollay, M. Rusch, J. Wenisch, G. Leising, H. F. Kauffmann, J. Chem. Phys. 1997, 106, 2850.
47. F. Milota, J. Sperling, A. Tortschanoff, V. Szocs, L. Kuna, H. F. Kauffmann, J. Lumin. 2004, 108, 205.
48. A. Ruseckas, P. Wood, I. D. W. Samuel, G. R. Webster, W. J. Mitchell, P. L. Burn, V. Sundstrom, Phys. Rev. B 2005, 72, 115214.
49. J. Sperling, F. Milota, H. F. Kauffmann, Opt. Spectrosc. 2005, 98, 729.
50. J. Sperling, F. Milota, A. Tortschanoff, C. Warmuth, B. Mollay, H. Bassler, H. F. Kauffmann, J. Chem. Phys. 2002, 117, 10877.
51. C. Warmuth, A. Tortschanoff, K. Brunner, B. Mollay, H. F. Kauffmann, J. Lumin. 1998, 76-7, 498.
52. N. P. Wells, B. W. Boudouris, M. A. Hillmyer, D. A. Blank, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 15404.
53. X. J. Yang, T. E. Dykstra, G. D. Scholes, Phys. Rev. B 2005, 71, 045203.
54. K. G. Jespersen, F. L. Zhang, A. Gadisa, V. Sundstrom, A. Yartsev, O. Inganas, Org. Electron. 2006, 7, 235.
55. F. L. Zhang, K. G. Jespersen, C. Bjorstrom, M. Svensson, M. R. Andersson, V. Sundstrom, K. Magnusson, E. Moons, A. Yartsev, O. Inganas, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 667.
56. A. A. Bakulin, J. C. Hummelen, M. S. Pshenichnikov, P. H. M. van Loosdrecht, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1653.
57. C. J. Brabec, G. Zerza, G. Cerullo, S. De Silvestri, S. Luzzati, J. C. Hummelen, S. Sariciftci, Chem. Phys. Lett. 2001, 340, 232.
58. I. W. Hwang, J. Y. Kim, S. Cho, J. Yuen, N. Coates, K. Lee, M. Heeney, I. McCulloch, D. Moses, A. J. Heeger, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 7853.
59. I. W. Hwang, C. Soci, D. Moses, Z. G. Zhu, D. Waller, R. Gaudiana, C. J. Brabec, A. J. Heeger, Adv. Mater. 2007, 19, 2307.
60. B. Kraabel, J. C. Hummelen, D. Vacar, D. Moses, N. S. Sariciftci, A. J. Heeger, F. Wudl, J. Chem. Phys. 1996, 104, 4267.
61. S. Morita, A. A. Zakhidov, K. Yoshino, Solid State Commun. 1992, 82, 249.
62. N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger, F. Wudl, Science 1992, 258, 1474.
63. M. Tong, N. E. Coates, D. Moses, A. J. Heeger, S. Beaupre, M. Leclerc, Phys. Rev. B 2010, 81, 125210.
64. P. E. Shaw, A. Ruseckas, I. D. W. Samuel, Adv. Mater. 2008, 20, 3516.
65. A. J. Lewis, A. Ruseckas, O. P. M. Gaudin, G. R. Webster, P. L. Burn, I. D. W. Samuel, Org. Electron. 2006, 7, 452.
66. M. Campoy-Quiles, T. Ferenczi, T. Agostinelli, P. G. Etchegoin, Y. Kim, T. D. Anthopoulos, P. N. Stavrinou, D. D. C. Bradley, J. Nelson, Nat. Mater. 2008, 7, 158.
67. M. Lenes, Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 243502.
68. A. J. Moulé, K. Meerholz, Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2007, 86, 721.
69. J. Peet, L. Wen, P. Byrne, S. Rodman, K. Forberich, Y. Shao, N. Drolet, R. Gaudiana, G. Dennler, D. Waller, Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 043301.
70. A. Pivrikas, G. Juska, A. J. Mozer, M. Scharber, K. Arlauskas, N. S. Sariciftci, H. Stubb, R. Osterbacka, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 176806.
71. S. R. Cowan, W. L. Leong, N. Banerji, G. Dennler, A. J. Heeger, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3083.
72. S. R. Cowan, A. Roy, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 2010, 82, 245207.
73. L. J. A. Koster, V. D. Mihailetchi, R. Ramaker, P. W. M. Blom, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 123509.
74. M. M. Mandoc, F. B. Kooistra, J. C. Hummelen, B. de Boer, P. W. M. Blom, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 263505.
75. G. Garcia-Belmonte, J. Bisquert, Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 113301.
76. L. J. A. Koster, M. Kemerink, M. M. Wienk, K. Maturová, R. A. J. Janssen, Adv. Mater. 2011, 23, 1670.
77. W. L. Leong, S. R. Cowan, A. J. Heeger, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 517.
78. A. J. Mozer, G. Dennler, N. S. Sariciftci, M. Westerling, A. Pivrikas, R. Osterbacka, G. Juska, Phys. Rev. B 2005, 72, 035217.
79. G. Juška, K. Arlauskas, J. Stuchlik, R. Ã-sterbacka, J. Non-Cryst. Solids 2006, 352, 1167.
80. C. G. Shuttle, B. O'Regan, A. M. Ballantyne, J. Nelson, D. D. C. Bradley, J. de Mello, J. R. Durrant, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 093311.
81. C. G. Shuttle, B. O'Regan, A. M. Ballantyne, J. Nelson, D. D. C. Bradley, J. R. Durrant, Phys. Rev. B 2008, 78, 113201.
82. S. F. Alvarado, P. F. Seidler, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 1082.
83. E. M. Conwell, H. A. Mizes, Phys. Rev. B 1995, 51, 6953.
84. C. Deibel, D. Mack, J. Gorenflot, A. Schöll, S. Krause, F. Reinert, D. Rauh, V. Dyakonov, Phys. Rev. B 2010, 81, 085202.
85. L. W. Barbour, R. D. Pensack, M. Hegadorn, S. Arzhantsev, J. B. Asbury, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 3926.
86. L. W. Barbour, R. D. Pensack, M. Hegadorn, S. Arzhantsev, J. B. Asbury, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 3926.
87. S. De, T. Kesti, M. Maiti, F. Zhang, O. Inganaes, A. Yartsev, T. Pascher, V. Sundstroem, Chem. Phys. Lett. 2008, 350, 14.
88. S. C. J. Meskers, J. Hubner, M. Oestreich, H. Bassler, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 9139.
89. J. Pina, J. S. de Melo, H. D. Burrows, T. W. Bunnagel, D. Dolfen, C. J. Kudla, U. Scherf, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 15928.
90. N. C. Cates, R. Gysel, Z. Beiley, C. E. Miller, M. F. Toney, M. Heeney, I. McCulloch, M. D. McGehee, Nano Lett. 2009, 9, 4153.
91. W. Ma, C. Yang, X. Gong, K. Lee, A. J. Heeger, Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1617.
92. R. A. Marsh, J. M. Hodgkiss, S. Albert-Seifried, R. H. Friend, Nano Lett. 2010, 10, 923.
93. Y. H. Lee, A. Yabushita, C. S. Hsu, S. H. Yang, I. Iwakura, C. W. Luo, K. H. Wu, T. Kobayashi, Chem. Phys. Lett. 2010, 498, 71.
94. J. Du, Z. Wang, W. Feng, K. Yoshino, T. Kobayashi, Phys. Rev. B 2008, 77, 195205.
95. N. P. Wells, D. A. Blank, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 086403.
96. V. I. Arkhipov, E. V. Emelianova, H. Bässler, Phy. Rev. Lett. 1999, 82, 1321.
97. T. W. Hagler, K. Pakbaz, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 1994, 49, 10968.
98. T. W. Hagler, K. Pakbaz, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 1995, 51, 14199.
99. T. W. Hagler, K. Pakbaz, J. Moulton, F. Wudl, P. Smith, A. J. Heeger, Polym. Commun. 1991, 32, 339.
100. T. W. Hagler, K. Pakbaz, K. F. Voss, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 1991, 44, 8652.
101. P. B. Miranda, D. Moses, A. J. Heeger, Synth. Met. 2001, 119, 619.
102. P. B. Miranda, D. Moses, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 2001, 6408, 081201/1.
103. D. Moses, A. Dogariu, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 2000, 61, 9373.
104. D. Moses, R. Schmechel, A. J. Heeger, Synth. Met. 2003, 139, 807.
105. D. Moses, C. Soci, P. Miranda, A. J. Heeger, Chem. Phys. Lett. 2001, 350, 531.
106. D. Moses, J. Wang, A. J. Heeger, N. Kirova, S. Brazovski, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 13496.
107. P. D. Cunningham, L. M. Hayden, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 7928.
108. N. E. Coates, D. Moses, A. J. Heeger, Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 102103.
109. E. Collini, G. D. Scholes, Science 2009, 323, 369.
110. I.-W. Hwang, D. Moses, A. J. Heeger, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 4350.
111. P. E. Keivanidis, T. M. Clarke, S. Lilliu, T. Agostinelli, J. E. Macdonald, J. R. Durrant, D. D. C. Bradley, J. Nelson, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 734.
112. R. A. Marsh, J. M. Hodgkiss, R. H. Friend, Adv. Mater. 2010, 22, 3672.
113. C. G. Shuttle, R. Hamilton, B. C. O'Regan, J. Nelson, J. R. Durrant, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 16448.
114. S. R. Cowan, R. A. Street, S. Cho, A. J. Heeger, Phys. Rev. B 2011, 83, 035205.
115. J. Kniepert, M. Schubert, J. C. Blakesley, D. Neher, J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 700.
116. R. Mauer, I. A. Howard, F. d. r. Laquai, J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1736.
117. C. Deibel, T. Strobel, V. Dyakonov, Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 036402.
118. M. H. Tong, N. E. Coates, D. Moses, A. J. Heeger, S. Beaupre, M. Leclerc, Phys. Rev. B 2010, 81, 125210/1.
119. I. W. Hwang, D. Moses, A. J. Heeger, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 4350.
120. S. De, T. Pascher, M. Maiti, K. G. Jespersen, T. Kesti, F. Zhang, O. Inganaes, A. Yartsev, V. Sundstroem, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8466.
121. I. A. Howard, R. Mauer, M. Meister, F. d. r. Laquai, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14866.
122. J. Guo, H. Ohkita, H. Benten, S. Ito, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6154.
123. N. S. Christ, S. W. Kettlitz, S. Valouch, S. Zufle, C. Gartner, M. Punke, U. Lemmer, J. Appl. Phys. 2009, 105.
124. D. Moses, J. Wang, G. Yu, A. J. Heeger, Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 2685.
125. O. G. Reid, J. Appl. Phys. 2010, 108, 084320.
126. L. J. A. Koster, V. D. Mihailetchi, H. Xie, P. W. M. Blom, Appl. Phys. Lett. 2005, 87.
127. A. Rose, Concepts in Photoconductivity and Allied Problems, Wiley, New York 1963.
128. F. Etzold, I. A. Howard, R. Mauer, M. Meister, T.-D. Kim, K.-S. Lee, N. S. Baek, F. d. r. Laquai, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9469.
129. M. M. Mandoc, W. Veurman, L. J. A. Koster, B. de Boer, P. W. M. Blom, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 2167.
130. J. Bisquert, G. Garcia-Belmonte, J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1950.
131. R. A. Street, Phys. Rev. B 2011, 84.
132. D. Credgington, R. Hamilton, P. Atienzar, J. Nelson, J. R. Durrant, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 2744.
133. M. P. Langevin, Ann. Chim. Phys. 1903, 28, 433.
134. C. G. Shuttle, A. Maurano, R. Hamilton, B. O'Regan, J. C. de Mello, J. R. Durrant, Appl. Phys. Lett. 2008, 93.
135. T. Kirchartz, K. Taretto, U. Rau, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 17958.