Semiconducting carbon nanotubes are attractive materials for harvesting light in photovoltaic solar cells and photodetectors. A crucial aspect of designing efficient photovoltaic devices using nanotubes is minimizing the length scale for the absorption of light (LA) and maximizing the length scale across which excitons diffuse (LD) in fibers and films of these materials. In order to facilitate the optimization of these parameters, here we model how LA and LD are affected by nanotube bandgap polydispersity, inter-nanotube coupling, film disorder, orientation, and defects. Our models are guided by previous experimental measurements of optical absorption spectra and exciton inter-nanotube transfer rates made on isolated and bundled nanotubes in conjunction with kinetic Monte Carlo simulations. Our results provide criteria for materials selection and the design of efficient carbon nanotube-based light harvesting devices, in various architectures.

1.
S.
Cataldo
,
P.
Salice
,
E.
Menna
, and
B.
Pignataro
,
Energy Environ. Sci.
5
,
5919
(
2012
).
2.
M.
Scarselli
,
P.
Castrucci
, and
M.
De Crescenzi
,
J. Phys. Condens. Matter
24
,
313202
(
2012
).
3.
P.
Avouris
,
M.
Freitag
, and
V.
Perebeinos
,
Nat. Photonics
2
,
341
(
2008
).
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
).
5.
T.
Dürkop
,
S. A.
Getty
,
E.
Cobas
, and
M. S.
Fuhrer
,
Nano Lett.
4
,
35
(
2004
).
6.
T.
Durkop
,
B. M.
Kim
, and
M. S.
Fuhrer
,
J. Phys. Condens. Matter
16
,
R553
(
2004
).
7.
H.
Kataura
,
Y.
Kumazawa
,
Y.
Maniwa
,
I.
Umezu
,
S.
Suzuki
,
Y.
Ohtsuka
, and
Y.
Achiba
,
Synth. Met.
103
,
2555
(
1999
).
8.
J. H.
Yi
,
B.
Aissa
, and
M. A.
El Khakani
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
7
,
3394
(
2007
).
9.
D. J.
Bindl
,
A. S.
Brewer
, and
M. S.
Arnold
,
Nano Res.
4
,
1174
(
2011
).
10.
D. J.
Bindl
,
N. S.
Safron
, and
M. S.
Arnold
,
ACS Nano
4
,
5657
(
2010
).
11.
D. J.
Bindl
,
M. J.
Shea
, and
M. S.
Arnold
,
Chem. Phys.
413
,
29
(
2013
).
12.
D. J.
Bindl
,
M. Y.
Wu
,
F. C.
Prehn
, and
M. S.
Arnold
,
Nano Lett.
11
,
455
(
2011
).
13.
D. J.
Bindl
and
M. S.
Arnold
,
Int. J. High Speed Electron. Syst.
20
,
687
(
2011
).
14.
D. J.
Bindl
and
M. S.
Arnold
,
J. Phys. Chem. C
117
,
2390
(
2013
).
15.
F.
Wang
,
G.
Dukovic
,
L. E.
Brus
, and
T. F.
Heinz
,
Science
308
,
838
(
2005
).
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
).
17.
R. B.
Capaz
,
C. D.
Spataru
,
S.
Ismail-Beigi
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Status Solidi B
244
,
4016
(
2007
).
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
).
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
).
20.
M.
Bernardi
,
J.
Lohrman
,
P. V.
Kumar
,
A.
Kirkeminde
,
N.
Ferralis
,
J. C.
Grossman
, and
S.
Ren
,
ACS Nano
6
,
8896
(
2012
).
21.
M. P.
Ramuz
,
M.
Vosgueritchian
,
P.
Wei
,
C.
Wang
,
Y.
Gao
,
Y.
Wu
,
Y.
Chen
, and
Z.
Bao
,
ACS Nano
6
,
10384
(
2012
).
22.
V. C.
Tung
,
J.-H.
Huang
,
J.
Kim
,
A. J.
Smith
,
C.-W.
Chu
, and
J.
Huang
,
Energy Environ. Sci.
5
,
7810
(
2012
).
23.
J.
Lohrman
,
C.
Zhang
,
W.
Zhang
, and
S.
Ren
,
Chem. Commun.
48
,
8377
(
2012
).
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
).
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
).
26.
P. L.
Ong
,
W. B.
Euler
, and
I. A.
Levitsky
,
Nanotechnology
21
,
105203
(
2010
).
27.
V.
Svrcek
,
S.
Cook
,
S.
Kazaoui
, and
M.
Kondo
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
1646
(
2011
).
28.
S.
Kazaoui
,
N.
Minami
,
B.
Nalini
,
Y.
Kim
, and
K.
Hara
,
J. Appl. Phys.
98
,
084314
(
2005
).
29.
C.
Bounioux
,
E. A.
Katz
, and
R.
Yerushalmi-Rozen
,
Polym. Adv. Technol.
23
,
1129
(
2012
).
30.
B. J.
Landi
,
R. P.
Raffaelle
,
S. L.
Castro
, and
S. G.
Bailey
,
Prog. Photovoltaics
13
,
165
(
2005
).
31.
S. Q.
Ren
,
M.
Bernardi
,
R. R.
Lunt
,
V.
Bulovic
,
J. C.
Grossman
, and
S.
Gradecak
,
Nano Lett.
11
,
5316
(
2011
).
32.
R. B.
Weisman
and
S. M.
Bachilo
,
Nano Lett.
3
,
1235
(
2003
).
33.
T.
Michel
,
M.
Paillet
,
J. C.
Meyer
,
V. N.
Popov
,
L.
Henrard
, and
J. L.
Sauvajol
,
Phys. Rev. B
75
,
155432
(
2007
).
34.
E. H.
Haroz
,
S. M.
Bachilo
,
R. B.
Weisman
, and
S. K.
Doorn
,
Phys. Rev. B
77
,
125405
(
2008
).
35.
Y. L.
Jia
,
G. L.
Yu
, and
J. M.
Dong
,
Nanotechnology
20
,
155708
(
2009
).
36.
R. B.
Capaz
,
C. D.
Spataru
,
S.
Ismail-Beigi
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. B
74
,
121401
R
(
2006
).
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
).
39.
F.
Yang
and
S. R.
Forrest
,
ACS Nano
2
,
1022
(
2008
).
40.
J. J.
Crochet
,
J. D.
Sau
,
J. G.
Duque
,
S. K.
Doorn
, and
M. L.
Cohen
,
ACS Nano
5
,
2611
(
2011
).
41.
S. M.
Bachilo
,
M. S.
Strano
,
C.
Kittrell
,
R. H.
Hauge
,
R. E.
Smalley
, and
R. B.
Weisman
,
Science
298
,
2361
(
2002
).
42.
S.
Lebedkin
,
F.
Hennrich
,
O.
Kiowski
, and
M. M.
Kappes
,
Phys. Rev. B
77
,
165429
(
2008
).
43.
J. L.
Blackburn
,
J. M.
Holt
,
V. M.
Irurzun
,
D. E.
Resasco
, and
G.
Rumbles
,
Nano Lett.
12
,
1398
(
2012
).
44.
M. W.
Graham
,
T. R.
Calhoun
,
A. A.
Green
,
M. C.
Hersam
, and
G. R.
Fleming
,
Nano Lett.
12
,
813
(
2012
).
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
).
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
).
48.
M. W.
Graham
,
Y. Z.
Ma
,
A. A.
Green
,
M. C.
Hersam
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
134
,
034504
(
2011
).
49.
T.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
79
,
024706
(
2010
).
50.
G. L. C.
Paulus
,
M. H.
Ham
, and
M. S.
Strano
,
Nanotechnology
23
,
095402
(
2012
).
51.
P. K.
Watkins
,
A. B.
Walker
, and
G. L. B.
Verschoor
,
Nano Lett.
5
,
1814
(
2005
).
52.
M.
Casalegno
,
G.
Raos
, and
R.
Po
,
J. Chem. Phys.
132
,
094705
(
2010
).
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
).
54.
L.
Valkunas
,
Y. Z.
Ma
, and
G. R.
Fleming
,
Phys. Rev. B
73
,
115432
(
2006
).
55.
T.
Hertel
,
S.
Himmelein
,
T.
Ackermann
,
D.
Stich
, and
J.
Crochet
,
ACS Nano
4
,
7161
(
2010
).
56.
L.
Luer
,
S.
Hoseinkhani
,
D.
Polli
,
J.
Crochet
,
T.
Hertel
, and
G.
Lanzani
,
Nat. Phys.
5
,
54
(
2009
).
57.
A. J.
Siitonen
,
D. A.
Tsyboulski
,
S. M.
Bachilo
, and
R. B.
Weisman
,
Nano Lett.
10
,
1595
(
2010
).
58.
J.
Xie
,
T.
Inaba
,
R.
Sugiyama
, and
Y.
Homma
,
Phys. Rev. B
85
,
085434
(
2012
).
59.
S.
Moritsubo
,
T.
Murai
,
T.
Shimada
,
Y.
Murakami
,
S.
Chiashi
,
S.
Maruyama
, and
Y. K.
Kato
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
247402
(
2010
).
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
).
61.
O. J.
Korovyanko
,
C. X.
Sheng
,
Z. V.
Vardeny
,
A. B.
Dalton
, and
R. H.
Baughman
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
017403
(
2004
).
62.
J. J.
Crochet
,
J. G.
Duque
,
J. H.
Werner
,
B.
Lounis
,
L.
Cognet
, and
S. K.
Doorn
,
Nano Lett.
12
,
5091
(
2012
).
63.
B. A.
Ruzicka
,
R.
Wang
,
J.
Lohrman
,
S.
Ren
, and
H.
Zhao
,
Phys. Rev. B
86
,
205417
(
2012
).
64.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4805597 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
).
66.
T.
Koyama
,
Y.
Miyata
,
Y.
Asada
,
H.
Shinohara
,
H.
Kataura
, and
A.
Nakamura
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
3243
(
2010
).
67.
T.
Koyama
,
K.
Asaka
,
N.
Hikosaka
,
H.
Kishida
,
Y.
Saito
, and
A.
Nakamura
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
127
(
2011
).
68.
C. Y.
Wong
,
C.
Curutchet
,
S.
Tretiak
, and
G. D.
Scholes
,
J. Chem. Phys.
130
,
081104
(
2009
).
69.
L.
Luer
,
J.
Crochet
,
T.
Hertel
,
G.
Cerullo
, and
G.
Lanzani
,
ACS Nano
4
,
4265
(
2010
).
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
).
71.
J.
Lefebvre
and
P.
Finnie
,
J. Phys. Chem. C
113
,
7536
(
2009
).
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
).
74.
H. P.
Liu
,
D.
Nishide
,
T.
Tanaka
, and
H.
Kataura
,
Nat. Commun.
2
,
309
(
2011
).
75.
S.
Choi
,
J.
Deslippe
,
R. B.
Capaz
, and
S. G.
Louie
,
Nano Lett.
13
,
54
(
2013
).
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
).
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
).
79.
Y.
Miyauchi
,
H.
Hirori
,
K.
Matsuda
, and
Y.
Kanemitsu
,
Phys. Rev. B
80
,
081410
(
2009
).
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
).
81.
D. M.
Harrah
and
A. K.
Swan
,
ACS Nano
5
,
647
(
2011
).
82.
Y.
Kanai
and
J. C.
Grossman
,
Nano Lett.
8
,
908
(
2008
).
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
).
84.
L.
Liu
,
W. E.
Stanchina
, and
G.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
233309
(
2009
).
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
).
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
).
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
).
89.
K.
Vandewal
,
K.
Tvingstedt
,
A.
Gadisa
,
O.
Inganas
, and
J. V.
Manca
,
Nature Mater.
8
,
904
(
2009
).
90.
M. D.
Perez
,
C.
Borek
,
S. R.
Forrest
, and
M. E.
Thompson
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
9281
(
2009
).
91.
T.
Yamanari
,
T.
Taima
,
J.
Sakai
, and
K.
Saito
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
93
,
759
(
2009
).
92.
N.
Li
,
B. E.
Lassiter
,
R. R.
Lunt
,
G.
Wei
, and
S. R.
Forrest
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
023307
(
2009
).
93.
M. C.
Scharber
,
D.
Wuhlbacher
,
M.
Koppe
,
P.
Denk
,
C.
Waldauf
,
A. J.
Heeger
, and
C. L.
Brabec
,
Adv. Mater.
18
,
789
(
2006
).
94.
A.
Cravino
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
243502
(
2007
).
95.
E. L.
Ratcliff
,
B.
Zacher
, and
N. R.
Armstrong
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
1337
(
2011
).
96.
M. A.
Green
,
Solid-State Electron.
24
,
788
(
1981
).
97.
M.-S.
Kim
,
B.-G.
Kim
, and
J.
Kim
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
1
,
1264
(
2009
).
98.
J. D.
Servaites
,
M. A.
Ratner
, and
T. J.
Marksb
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
163302
(
2009
).
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
).
100.
S. C.
Price
,
A. C.
Stuart
,
L. Q.
Yang
,
H. X.
Zhou
, and
W.
You
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
4625
(
2011
).
101.
G.
Li
,
Y.
Yao
,
H.
Yang
,
V.
Shrotriya
,
G.
Yang
, and
Y.
Yang
,
Adv. Funct. Mater.
17
,
1636
(
2007
).
102.
H. X.
Zhou
,
L. Q.
Yang
,
S. C.
Price
,
K. J.
Knight
, and
W.
You
,
Angew. Chem., Int. Ed.
49
,
7992
(
2010
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.