Design length scales for carbon nanotube photoabsorber based photovoltaic materials and devices

Journal of Applied Physics

Volumn 113, Issue 20, 2013, Pages

  Wu, Meng Yin ^a   Jacobberger, Robert M ^a   Arnold, Michael S ^a  

^a University of Wisconsin Madison   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CARBON NANOTUBES; EXCITONS; FILMS; LIGHT; LIGHT ABSORPTION; MONTE CARLO METHODS; SOLAR POWER GENERATION;

ISOLATED AND BUNDLED; KINETIC MONTE CARLO SIMULATION; LIGHT-HARVESTING; MATERIALS SELECTION; PHOTOVOLTAIC DEVICES; PHOTOVOLTAIC MATERIALS; PHOTOVOLTAIC SOLAR CELLS; SEMICONDUCTING CARBON NANOTUBES;

SOLAR CELLS;

EID: 84879087494     PISSN: 00218979     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.4805597     Document Type: Article

References (102)

1. S. Cataldo, P. Salice, E. Menna, and B. Pignataro, Energy Environ. Sci. 5, 5919 (2012). 10.1039/c1ee02276h
2. M. Scarselli, P. Castrucci, and M. De Crescenzi, J. Phys. Condens. Matter 24, 313202 (2012) 10.1088/0953-8984/24/31/313202.
3. P. Avouris, M. Freitag, and V. Perebeinos, Nat. Photonics 2, 341 (2008). 10.1038/nphoton.2008.94
4. F. Schoppler, C. Mann, T. C. Hain, F. M. Neubauer, G. Privitera, F. Bonaccorso, D. P. Chu, A. C. Ferrari, and T. Hertel, J. Phys. Chem. C 115, 14682 (2011). 10.1021/jp205289h
5. T. Dürkop, S. A. Getty, E. Cobas, and M. S. Fuhrer, Nano Lett. 4, 35 (2004). 10.1021/nl034841q
6. T. Durkop, B. M. Kim, and M. S. Fuhrer, J. Phys. Condens. Matter 16, R553 (2004). 10.1088/0953-8984/16/18/R01
7. H. Kataura, Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, and Y. Achiba, Synth. Met. 103, 2555 (1999). 10.1016/S0379-6779(98)00278-1
8. J. H. Yi, B. Aissa, and M. A. El Khakani, J. Nanosci. Nanotechnol. 7, 3394 (2007). 10.1166/jnn.2007.843
9. D. J. Bindl, A. S. Brewer, and M. S. Arnold, Nano Res. 4, 1174 (2011). 10.1007/s12274-011-0167-0
10. D. J. Bindl, N. S. Safron, and M. S. Arnold, ACS Nano 4, 5657 (2010). 10.1021/nn1012397
11. D. J. Bindl, M. J. Shea, and M. S. Arnold, Chem. Phys. 413, 29 (2013) 10.1016/j.chemphys.2012.08.001.
12. D. J. Bindl, M. Y. Wu, F. C. Prehn, and M. S. Arnold, Nano Lett. 11, 455 (2011). 10.1021/nl1031343
13. D. J. Bindl and M. S. Arnold, Int. J. High Speed Electron. Syst. 20, 687 (2011). 10.1142/S0129156411006970
14. D. J. Bindl and M. S. Arnold, J. Phys. Chem. C 117, 2390 (2013) 10.1021/jp310983y.
15. F. Wang, G. Dukovic, L. E. Brus, and T. F. Heinz, Science 308, 838 (2005). 10.1126/science.1110265
16. J. Maultzsch, R. Pomraenke, S. Reich, E. Chang, D. Prezzi, A. Ruini, E. Molinari, M. S. Strano, C. Thomsen, and C. Lienau, Phys. Rev. B 72, 241402(R) (2005) 10.1103/PhysRevB.72.241402.
17. R. B. Capaz, C. D. Spataru, S. Ismail-Beigi, and S. G. Louie, Phys. Status Solidi B 244, 4016 (2007). 10.1002/pssb.200776200
18. R. M. Jain, R. Howden, K. Tvrdy, S. Shimizu, A. J. Hilmer, T. P. McNicholas, K. K. Gleason, and M. S. Strano, Adv. Mater. 24, 4436 (2012). 10.1002/adma.201202088
19. V. C. Tung, J.-H. Huang, I. Tevis, F. Kim, J. Kim, C.-W. Chu, S. I. Stupp, and J. Huang, J. Am. Chem. Soc. 133, 4940 (2011). 10.1021/ja1103734
20. M. Bernardi, J. Lohrman, P. V. Kumar, A. Kirkeminde, N. Ferralis, J. C. Grossman, and S. Ren, ACS Nano 6, 8896 (2012). 10.1021/nn302893p
21. M. P. Ramuz, M. Vosgueritchian, P. Wei, C. Wang, Y. Gao, Y. Wu, Y. Chen, and Z. Bao, ACS Nano 6, 10384 (2012) 10.1021/nn304410w.
22. V. C. Tung, J.-H. Huang, J. Kim, A. J. Smith, C.-W. Chu, and J. Huang, Energy Environ. Sci. 5, 7810 (2012). 10.1039/c2ee21587j
23. J. Lohrman, C. Zhang, W. Zhang, and S. Ren, Chem. Commun. 48, 8377 (2012). 10.1039/c2cc33517d
24. M. S. Arnold, J. D. Zimmerman, C. K. Renshaw, X. Xu, R. R. Lunt, C. M. Austin, and S. R. Forrest, Nano Lett. 9, 3354 (2009). 10.1021/nl901637u
25. Z. R. Li, V. P. Kunets, V. Saini, Y. Xu, E. Dervishi, G. J. Salamo, A. R. Biris, and A. S. Biris, ACS Nano 3, 1407 (2009). 10.1021/nn900197h
26. P. L. Ong, W. B. Euler, and I. A. Levitsky, Nanotechnology 21, 105203 (2010) 10.1088/0957-4484/21/10/105203.
27. V. Svrcek, S. Cook, S. Kazaoui, and M. Kondo, J. Phys. Chem. Lett. 2, 1646 (2011). 10.1021/jz200680v
28. S. Kazaoui, N. Minami, B. Nalini, Y. Kim, and K. Hara, J. Appl. Phys. 98, 084314 (2005) 10.1063/1.2113419.
29. C. Bounioux, E. A. Katz, and R. Yerushalmi-Rozen, Polym. Adv. Technol. 23, 1129 (2012). 10.1002/pat.3054
30. B. J. Landi, R. P. Raffaelle, S. L. Castro, and S. G. Bailey, Prog. Photovoltaics 13, 165 (2005). 10.1002/pip.604
31. S. Q. Ren, M. Bernardi, R. R. Lunt, V. Bulovic, J. C. Grossman, and S. Gradecak, Nano Lett. 11, 5316 (2011). 10.1021/nl202796u
32. R. B. Weisman and S. M. Bachilo, Nano Lett. 3, 1235 (2003). 10.1021/nl034428i
33. T. Michel, M. Paillet, J. C. Meyer, V. N. Popov, L. Henrard, and J. L. Sauvajol, Phys. Rev. B 75, 155432 (2007). 10.1103/PhysRevB.75.155432
34. E. H. Haroz, S. M. Bachilo, R. B. Weisman, and S. K. Doorn, Phys. Rev. B 77, 125405 (2008). 10.1103/PhysRevB.77.125405
35. Y. L. Jia, G. L. Yu, and J. M. Dong, Nanotechnology 20, 155708 (2009) 10.1088/0957-4484/20/15/155708.
36. R. B. Capaz, C. D. Spataru, S. Ismail-Beigi, and S. G. Louie, Phys. Rev. B 74, 121401(R) (2006) 10.1103/PhysRevB.74.121401.
37. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, R. Saito, and A. Jorio, in Annual Review of Physical Chemistry (2007), Vol. 58, p. 719.
38. J. Jiang, R. Saito, G. G. Samsonidze, A. Jorio, S. G. Chou, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 75, 035407 (2007) 10.1103/PhysRevB.75.035407.
39. F. Yang and S. R. Forrest, ACS Nano 2, 1022 (2008). 10.1021/nn700447t
40. J. J. Crochet, J. D. Sau, J. G. Duque, S. K. Doorn, and M. L. Cohen, ACS Nano 5, 2611 (2011). 10.1021/nn200427r
41. S. M. Bachilo, M. S. Strano, C. Kittrell, R. H. Hauge, R. E. Smalley, and R. B. Weisman, Science 298, 2361 (2002). 10.1126/science.1078727
42. S. Lebedkin, F. Hennrich, O. Kiowski, and M. M. Kappes, Phys. Rev. B 77, 165429 (2008) 10.1103/PhysRevB.77.165429.
43. J. L. Blackburn, J. M. Holt, V. M. Irurzun, D. E. Resasco, and G. Rumbles, Nano Lett. 12, 1398 (2012). 10.1021/nl204072x
44. M. W. Graham, T. R. Calhoun, A. A. Green, M. C. Hersam, and G. R. Fleming, Nano Lett. 12, 813 (2012). 10.1021/nl2038503
45. S. G. Chou, F. Plentz, J. Jiang, R. Saito, D. Nezich, H. B. Ribeiro, A. Jorio, M. A. Pimenta, G. G. Samsonidze, A. P. Santos, M. Zheng, G. B. Onoa, E. D. Semke, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. Lett. 94, 127402 (2005) 10.1103/PhysRevLett.94.127402.
46. G. D. Riichiro Saito and M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes (Imperial College Press, 1998).
47. J. Lefebvre and P. Finnie, Phys. Rev. Lett. 98, 167406 (2007) 10.1103/PhysRevLett.98.167406.
48. M. W. Graham, Y. Z. Ma, A. A. Green, M. C. Hersam, and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 134, 034504 (2011) 10.1063/1.3530582.
49. T. Ando, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 024706 (2010) 10.1143/JPSJ.79.024706.
50. G. L. C. Paulus, M. H. Ham, and M. S. Strano, Nanotechnology 23, 095402 (2012) 10.1088/0957-4484/23/9/095402.
51. P. K. Watkins, A. B. Walker, and G. L. B. Verschoor, Nano Lett. 5, 1814 (2005). 10.1021/nl051098o
52. M. Casalegno, G. Raos, and R. Po, J. Chem. Phys. 132, 094705 (2010) 10.1063/1.3337909.
53. L. Y. Meng, Y. Shang, Q. K. Li, Y. F. Li, X. W. Zhan, Z. G. Shuai, R. G. E. Kimber, and A. B. Walker, J. Phys. Chem. B 114, 36 (2010). 10.1021/jp907167u
54. L. Valkunas, Y. Z. Ma, and G. R. Fleming, Phys. Rev. B 73, 115432 (2006) 10.1103/PhysRevB.73.115432.
55. T. Hertel, S. Himmelein, T. Ackermann, D. Stich, and J. Crochet, ACS Nano 4, 7161 (2010). 10.1021/nn101612b
56. L. Luer, S. Hoseinkhani, D. Polli, J. Crochet, T. Hertel, and G. Lanzani, Nat. Phys. 5, 54 (2009). 10.1038/nphys1149
57. A. J. Siitonen, D. A. Tsyboulski, S. M. Bachilo, and R. B. Weisman, Nano Lett. 10, 1595 (2010). 10.1021/nl9039845
58. J. Xie, T. Inaba, R. Sugiyama, and Y. Homma, Phys. Rev. B 85, 085434 (2012). 10.1103/PhysRevB.85.085434
59. S. Moritsubo, T. Murai, T. Shimada, Y. Murakami, S. Chiashi, S. Maruyama, and Y. K. Kato, Phys. Rev. Lett. 104, 247402 (2010) 10.1103/PhysRevLett.104. 247402.
60. D. M. Harrah, J. R. Schneck, A. A. Green, M. C. Hersam, L. D. Ziegler, and A. K. Swan, ACS Nano 5, 9898 (2011). 10.1021/nn203604v
61. O. J. Korovyanko, C. X. Sheng, Z. V. Vardeny, A. B. Dalton, and R. H. Baughman, Phys. Rev. Lett. 92, 017403 (2004). 10.1103/PhysRevLett.92.017403
62. J. J. Crochet, J. G. Duque, J. H. Werner, B. Lounis, L. Cognet, and S. K. Doorn, Nano Lett. 12, 5091 (2012). 10.1021/nl301739d
63. B. A. Ruzicka, R. Wang, J. Lohrman, S. Ren, and H. Zhao, Phys. Rev. B 86, 205417 (2012). 10.1103/PhysRevB.86.205417
64. See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4805597 E-JAPIAU-113-053320 for additional discussion and figures.
65. H. H. Qian, C. Georgi, N. Anderson, A. A. Green, M. C. Hersam, L. Novotny, and A. Hartschuh, Nano Lett. 8, 1363 (2008). 10.1021/nl080048r
66. T. Koyama, Y. Miyata, Y. Asada, H. Shinohara, H. Kataura, and A. Nakamura, J. Phys. Chem. Lett. 1, 3243 (2010). 10.1021/jz101338c
67. T. Koyama, K. Asaka, N. Hikosaka, H. Kishida, Y. Saito, and A. Nakamura, J. Phys. Chem. Lett. 2, 127 (2011). 10.1021/jz101635n
68. C. Y. Wong, C. Curutchet, S. Tretiak, and G. D. Scholes, J. Chem. Phys. 130, 081104 (2009) 10.1063/1.3088846.
69. L. Luer, J. Crochet, T. Hertel, G. Cerullo, and G. Lanzani, ACS Nano 4, 4265 (2010). 10.1021/nn100674h
70. O. V. Mikhnenko, F. Cordella, A. B. Sieval, J. C. Hummelen, P. W. M. Blom, and M. A. Loi, J. Phys. Chem. B 112, 11601 (2008). 10.1021/jp8042363
71. J. Lefebvre and P. Finnie, J. Phys. Chem. C 113, 7536 (2009). 10.1021/jp810892z
72. A. F. Voter, in Radiation Effects in Solids (Springer, Netherlands 2005).
73. S. Ghosh, S. M. Bachilo, and R. B. Weisman, Nat. Nanotechnol. 5, 443 (2010). 10.1038/nnano.2010.68
74. H. P. Liu, D. Nishide, T. Tanaka, and H. Kataura, Nat. Commun. 2, 309 (2011) 10.1038/ncomms1313.
75. S. Choi, J. Deslippe, R. B. Capaz, and S. G. Louie, Nano Lett. 13, 54 (2013). 10.1021/nl303426q
76. J. V. Stone, in Independent Component Analysis: A Tutorial Introduction (A Bradford Book, 2004), p. 73.
77. I. V. Rubtsov, R. M. Russo, T. Albers, P. Deria, D. E. Luzzi, and M. J. Therien, Appl. Phys. A 79, 1747 (2004) 10.1007/s00339-004-2894-5.
78. G. N. Ostojic, S. Zaric, J. Kono, M. S. Strano, V. C. Moore, R. H. Hauge, and R. E. Smalley, Phys. Rev. Lett. 92, 117402 (2004). 10.1103/PhysRevLett.92. 117402
79. Y. Miyauchi, H. Hirori, K. Matsuda, and Y. Kanemitsu, Phys. Rev. B 80, 081410 (2009) 10.1103/PhysRevB.80.081410.
80. T. Hertel, A. Hagen, V. Talalaev, K. Arnold, F. Hennrich, M. Kappes, S. Rosenthal, J. McBride, H. Ulbricht, and E. Flahaut, Nano Lett. 5, 511 (2005). 10.1021/nl050069a
81. D. M. Harrah and A. K. Swan, ACS Nano 5, 647 (2011). 10.1021/nn1031214
82. Y. Kanai and J. C. Grossman, Nano Lett. 8, 908 (2008). 10.1021/nl0732777
83. M.-H. Ham, G. L. C. Paulus, C. Y. Lee, C. Song, K. Kalantar-zadeh, W. Choi, J.-H. Han, and M. S. Strano, ACS Nano 4, 6251 (2010). 10.1021/nn1019384
84. L. Liu, W. E. Stanchina, and G. Li, Appl. Phys. Lett. 94, 233309 (2009) 10.1063/1.3153514.
85. J. M. Holt, A. J. Ferguson, N. Kopidakis, B. A. Larsen, J. Bult, G. Rumbles, and J. L. Blackburn, Nano Lett. 10, 4627 (2010). 10.1021/nl102753z
86. M. J. Shea and M. S. Arnold, "1% solar cells derived from ultrathin carbon nanotube photoabsorbing films," Appl. Phys. Lett. (submitted).
87. B. Ratier, J.-M. Nunzi, M. Aldissi, T. M. Kraft, and E. Buncel, Polym. Int. 61, 342 (2012). 10.1002/pi.3233
88. J.-H. Han, G. L. C. Paulus, R. Maruyama, D. A. Heller, W.-J. Kim, P. W. Barone, C. Y. Lee, J. H. Choi, M.-H. Ham, C. Song, C. Fantini, and M. S. Strano, Nature Mater. 9, 833 (2010). 10.1038/nmat2832
89. K. Vandewal, K. Tvingstedt, A. Gadisa, O. Inganas, and J. V. Manca, Nature Mater. 8, 904 (2009). 10.1038/nmat2548
90. M. D. Perez, C. Borek, S. R. Forrest, and M. E. Thompson, J. Am. Chem. Soc. 131, 9281 (2009). 10.1021/ja9007722
91. T. Yamanari, T. Taima, J. Sakai, and K. Saito, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93, 759 (2009). 10.1016/j.solmat.2008.09.022
92. N. Li, B. E. Lassiter, R. R. Lunt, G. Wei, and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 94, 023307 (2009) 10.1063/1.3072807.
93. M. C. Scharber, D. Wuhlbacher, M. Koppe, P. Denk, C. Waldauf, A. J. Heeger, and C. L. Brabec, Adv. Mater. 18, 789 (2006). 10.1002/adma.200501717
94. A. Cravino, Appl. Phys. Lett. 91, 243502 (2007) 10.1063/1.2817930.
95. E. L. Ratcliff, B. Zacher, and N. R. Armstrong, J. Phys. Chem. Lett. 2, 1337 (2011). 10.1021/jz2002259
96. M. A. Green, Solid-State Electron. 24, 788 (1981). 10.1016/0038-1101(81) 90062-9
97. M.-S. Kim, B.-G. Kim, and J. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 1, 1264 (2009). 10.1021/am900155y
98. J. D. Servaites, M. A. Ratner, and T. J. Marksb, Appl. Phys. Lett. 95, 163302 (2009) 10.1063/1.3243986.
99. J. Peet, L. Wen, P. Byrne, S. Rodman, K. Forberich, Y. Shao, N. Drolet, R. Gaudiana, G. Dennler, and D. Waller, Appl. Phys. Lett. 98, 043301 (2011) 10.1063/1.3544940.
100. S. C. Price, A. C. Stuart, L. Q. Yang, H. X. Zhou, and W. You, J. Am. Chem. Soc. 133, 4625 (2011). 10.1021/ja1112595
101. G. Li, Y. Yao, H. Yang, V. Shrotriya, G. Yang, and Y. Yang, Adv. Funct. Mater. 17, 1636 (2007). 10.1002/adfm.200600624
102. H. X. Zhou, L. Q. Yang, S. C. Price, K. J. Knight, and W. You, Angew. Chem., Int. Ed. 49, 7992 (2010). 10.1002/anie.201003357