| Project Area | Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation |
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| Project/Area Number |
20H05833
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Kyoto University (2023-2024)
Nara Institute of Science and Technology (2020-2022) |
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Principal Investigator |
山田 容子 京都大学, 化学研究所, 教授 (20372724)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松尾 恭平 京都大学, 化学研究所, 助教 (00778904)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥115,830,000 (Direct Cost: ¥89,100,000、Indirect Cost: ¥26,730,000)
Fiscal Year 2024: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000)
Fiscal Year 2023: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000)
Fiscal Year 2022: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2020: ¥37,310,000 (Direct Cost: ¥28,700,000、Indirect Cost: ¥8,610,000)
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| Keywords | 動的エキシトン / ドナー・アクセプター / 前駆体法 / 薄膜構造制御 / 有機薄膜太陽電池 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、動的エキシトン制御を志向した有機ドナー・アクセプター(D・A)材料の創成と精密な薄膜構造制御により、本領域に貢献する。特に、我々が開発してきた前駆体法を用いることで、置換基の役割を分子の電子構造制御と薄膜中の分子配向や結晶性の制御、構造体への熱的ゆらぎの導入に集中することが可能である。前駆体法により、スピン軌道相互作用の制御に着目した曲面πが導入された新規D・A 材料の創成と、有機薄膜太陽電池のD/A界面とバルクヘテロ接合層の構造・性能制御による、動的エキシトンの学理構築とメカニズムの解明に貢献する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、動的エキシトン制御を志向した有機ドナー・アクセプター(D・A)材料の創成と精密な薄膜構造制御により、本領域に貢献することを目的としている。特に、前駆体法による①スピン軌道相互作用(SOC)の制御に着目した曲面πが導入された新規D・A材料の創成；②D/A界面(以下、界面を/で示す)とバルクヘテロ接合(BHJ)層の構造・性能制御による動的エキシトンの学理構築への貢献を目的として研究を行う。
① 初年度に引き続き、リング状連結分子や、有機ドナー、アクセプター材料の合成法の検討を行った。
②我々が以前報告した低分子バルクヘテロ型有機太陽電池は、ポルフィリン系ドナー材料のアルキル置換基の長さにより、薄膜中の分子配向を系統的に制御できることがわかっている。ドナーもアクセプターも低分子材料である本系は、バルクヘテロ層の界面構造や薄膜構造の解析に適している。THzダイナミクス、時間分解ESR等を用いた有機太陽電池のダイナミクスに関する領域内共同研究を積極的に行い、一部は論文として受理され、さらに共同研究を展開中である。一方、5,15位に置換基を有するテトラベンゾポルフィリン(BP)の簡便な溶液プロセスによる薄膜結晶構造制御や単結晶FETのプロセス開発や溶媒効果についても検討した。特に、ジメチルアルキルシリルエチニル基を導入したBPは、アルキル基の長さに応じて、電荷移動度とその熱安定性が大きく変化することを見出した。また、ポルフィリンの中央部に導入された金属イオンが結晶構造にどのように影響を与えるかについても検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ポルフィリンージケトピロロピロール(CnDPP-BP)をp型とPCBMをn型に用いたバルクヘテロ型太陽電池は、低分子材料のみを用いているため薄膜構造解析と有機薄膜太陽電池のダイナミクス考察に有利な試料である。計画班小堀教授（神戸大）、公募班太田助教（神戸大）との共同研究により、ESRとTHz分光測定により電荷再結合にのメカニズムを検討した。さらに吉田教授（千葉大）とミクロな薄膜構造に関する共同研究を開始した。また新規な低分子アクセプター材料に関しては、斎藤助教（広島大）との共同研究によりポリマー材料とのバルクヘテロ型太陽電池の性能を評価した。一方我々のBP型n型材料と家教授（阪大）のイソチアナフテン型p型材料を組み合わせた太陽電池(J. Mater. Chem. C 2022, 10, 4424)についても検討した。
一方単結晶FETに関しては、TIPS-BPの単結晶FETの中心金属と結晶構造について検討し、CuやZnポルフィリンでは、３量体構造をとりFET特性が小さいのに対し、フリーベース体は１次元パッキングにより2.16 cm2 V-1 s-1の正孔移動度を示すことを見出した(J. Mater. Chem. C, 2022, 10, 2527)。引き続き、置換基構造と薄膜構造、電荷移動度の相関に関する研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
①に関しては、ドナーとアクセプターが交互にリンク状に結合した新規化合物の合成を継続している。
②に関しては、バルクヘテロ型太陽電池のミクロ薄膜構造と電荷分離メカニズムに関して引き続き吉田教授（千葉大）と共同研究を展開している。また、ベンゾポルフィリンの5,15位の置換基を工夫することで熱的安定性が高く、4 cm2V-1s-1を超える正孔移動度を示す材料が見つかったため、その電荷移動メカニズムを中山准教授（東京理科大）と継続中である。一方。羽曾部教授（慶應大）とは高次アセンのシングレットフィッションメカニズムに関する共同研究を開始し、その試料となる高次アセンダイマーの合成にも着手した。
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