電流計測－原子間力顕微鏡による高分子ブレンド太陽電池の光電変換特性の起源の解明

• Project/Area Number: 14J01721
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Polymer chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 尾坂 美樹 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 電流計測AFM / 有機薄膜太陽電池 / 共役高分子 / 導電性 / 相分離

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、共役高分子薄膜の局所的な電荷輸送特性を、電流計測原子間力顕微鏡（電流計測AFM）を用いて解明することを目的とするものである。平成28年度は、太陽電池への応用が期待される電子ドナー材料（P3HT）とアクセプター材料（PF12TBT）との混合膜を研究対象とし、その局所的な電荷輸送特性、および、相分離構造と光電変換機能との関係を明らかにする事を試みた。具体的には製膜溶媒、加熱処理にともなう局所的な正孔輸送特性の変化を電流計測AFM測定により観測し、さらに太陽電池特性と比較検討を行った。得られた成果は以下の通りである。
1.　加熱処理に伴う局所的な正孔輸送特性の変化：P3HTドメイン、混合相、PF12TBTドメインを有する、サブマイクロメートルスケールの相分離膜に対して、加熱処理前後で定点測定を行った。これにより加熱処理に伴う正孔輸送性の変化が二段階で引き起こされることを明らかにした。初期にはP3HTドメインとともに混合相全体で正孔輸送性が向上した。これは膜内のP3HTの平面化によるものと結論付けた。P3HTの平面化が飽和したのちは、混合相のPF12TBTドメイン付近で正孔輸送性の減少がみられた。これは相分離の進行によるものと結論付けた。太陽電池特性はP3HTの平面化が飽和し混合相の収縮が起こらない段階で最も高いことを明らかにした。
2.　高効率な太陽電池特性をもたらす構造：製膜溶媒および加熱温度を最適化することにより、3.4％という高い変換効率を示す薄膜を作製した。電流計測AFM測定によりこの薄膜は膜全体が混合相であることを明らかにした。さらに、単一膜とブレンド膜の電流値のヒストグラムの比較から、膜内のP3HTは全てネットワークを形成し正孔輸送に寄与していることが示唆された。このような高い正孔輸送能を有する混合相の形成が高効率な太陽電池特性の起源であることを明らかにした。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Intermixed Donor/Acceptor Region in Conjugated Polymer Blends Visualized by Conductive Atomic Microscopy (2017)
  • Author(s): Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 50 Issue: 4 Pages: 1618-1625
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.6b02604
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reduced Bimolecular Recombination in Polymer Solar Cells (2016)
  • Author(s): Tomohiro Fukuhara, Miki Osaka, Yasunari Tamai, Hideo Ohkita, Hiroaki Benten, Shinzaburo Ito
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 29 Issue: 4 Pages: 575-580
  • DOI: 10.2494/photopolymer.29.575
  • NAID: 130005261798
  • ISSN: 0914-9244, 1349-6336
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electron Transport Nanostructures of Conjugated Polymer Filmsd Visualized by Conductive Atomic Force Microscopy (2015)
  • Author(s): Yuya Kondo, Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
  • Journal Title: ACS Macro Letters Volume: 4 Issue: 9 Pages: 879-885
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.5b00352
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanostructures for Efficient Hole Transport in Poly(3-hexylthiophene) Film: A Study by Conductive Atomic Force Microscopy (2015)
  • Author(s): Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito, Hiroki Ogawa and Toshiji Kanaya
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 119 Issue: 43 Pages: 24307-24314
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b08237
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 電流計測AFMでみる全高分子型薄膜太陽電池のDonor/Acceptor相分離界 (2017)
  • Author(s): 辨天宏明, 尾坂美樹, 大北英生, 伊藤紳三郎
  • Organizer: 第64回 応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡で明らかにする共役高分子混合膜の電荷輸送構造 (2016)
  • Author(s): 尾坂美樹, 近藤裕也, 辨天宏明, 大北英生, 伊藤紳三郎
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
  • Invited
• [Presentation] Reduced Bimolecular Recombination in Polymer Solar Cells (2016)
  • Author(s): Tomohiro Fukuhara, Miki Osaka, Yasunari Tamai, Hideo Ohkita, Hiroaki Benten, Shinzaburo Ito
  • Organizer: The 33rd International Conference of Photopolymer Science and Technology Materials & Processes for Advanced Microlithography, Nanotechnology and Phototechnology (ICPST-33)
  • Place of Presentation: Chiba (Japan)
  • Year and Date: 2016-06-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡でみる共役高分子薄膜の電子輸送構造 (2016)
  • Author(s): 尾坂美樹, 近藤裕也, 辨天宏明, 大北英生, 伊藤紳三郎
  • Organizer: 第65回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2016-05-25
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡で明らかにする共役高分子薄膜の電荷輸送構造 (2016)
  • Author(s): 尾坂 美樹、近藤 祐也、辨天 宏明、大北 英生、伊藤紳三郎
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-20
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡でみる共役高分子薄膜のナノ電子構造 (2015)
  • Author(s): 伊藤紳三郎、尾坂美樹、辨天宏明、大北英生
  • Organizer: 日本化学繊維研究所 第73回講演会
  • Place of Presentation: 京都大学桂ホール（京都府京都市）
  • Year and Date: 2015-11-10
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡を用いて明らかにする共役高分子ブレンド相分離薄膜のナノ電荷輸送特性 (2015)
  • Author(s): 尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
  • Organizer: 第64回高分子討論会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Growth of Highly Conductive Nanodomains in Poly(3-hexylthiophene) Films Studied by Conductive Atomic Force Microscopy (2015)
  • Author(s): Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
  • Organizer: 12th International Symposium on Functional π-Electron Systems
  • Place of Presentation: University of Washington（Seattle, USA）
  • Year and Date: 2015-07-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡により明らかにする電子acceptor性共役高分子薄膜のミクロ電子輸送特性 (2015)
  • Author(s): 近藤祐也、尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
  • Organizer: 第64回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-05-27
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡を用いて明らかにする共役高分子ブレンド薄膜の相分離ドメイン組成とナノ電荷輸送特性 (2015)
  • Author(s): 尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
  • Organizer: 第64回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-05-27
• [Presentation] 電流計測AFMにより明らかにするP3HT薄膜の高導電性ミクロドメイン構造とナノ電子物性 (2014)
  • Author(s): 尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎、小川紘樹、金谷利治
  • Organizer: 2014 KIPS 若手高分子シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-12-12
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡でみるπ共役系高分子の相分離ナノ構造とミクロ電子機能 (2014)
  • Author(s): 辨天宏明、尾坂美樹、近藤祐也、大北英生、伊藤紳三郎
  • Organizer: 2014 KIPS 若手高分子シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-12-12
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡により明らかにするPoly(3-hexylthiophene)薄膜の電荷輸送特性向上における結晶化の役割 (2014)
  • Author(s): 尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎、小川紘樹、金谷利治
  • Organizer: 第63回高分子討論会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] Highly Conductive Nanodomains in Poly(3-hexylthiophene) Films Visualized by Conductive Atomic Force Microscopy (2014)
  • Author(s): Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
  • Organizer: 10th International Conference on Electroluminescence and Organic Optoelectronics
  • Place of Presentation: Cologne (Germany)
  • Year and Date: 2014-08-31 – 2014-09-03
• [Presentation] Plastic Solar Cells Based on Conjugated Polymer/Polymer Blend Films:Characterization of the phase-separated nanostructure and local electrical properties by conductive AFM (2014)
  • Author(s): Hiroaki Benten, Miki Osaka, Li-Ting Lee, Yuya Kondo, Hideo Ohkita, and Shinzaburo Ito
  • Organizer: 17th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-08-04 – 2014-08-08
  • Invited
• [Presentation] 電流計測原子間力顕微鏡で明らかにする熱アニールpoly(3-hexylthiophene)薄膜のナノ導電特性 (2014)
  • Author(s): 尾坂 美樹,辨天 宏明,大北 英生,伊藤 紳三郎,小川 紘樹,金谷 利治
  • Organizer: 第63回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2014-05-28 – 2014-05-30
• [Presentation] 電流計測AFMによる有機薄膜太陽電池発電層の相分離構造と電子物性の評価 (2014)
  • Author(s): 尾坂 美樹
  • Organizer: 神戸大学界面科学研究センターコロキウム「高分子界面」
  • Place of Presentation: 神戸大学（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2014-05-08
  • Invited
• [Presentation] Development of Highly Conductive Nanodomains in Poly(3-hexythiophene) Films Studied by Conductive Atomic Force Microscopy (2014)
  • Author(s): Hiroaki Benten, Miki Osaka, Li-Ting Lee, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
  • Organizer: BIT's 3rd Annual Conference and EXPO of AnalytiX-2014
  • Place of Presentation: Dalian (China)
  • Year and Date: 2014-04-25 – 2014-04-28
  • Invited
• [Remarks] 京都大学 高分子機能学研究室HP
  • URL: http://www.photo.polym.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学 伊藤研究室
  • URL: http://www.photo.polym.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 学会発表-伊藤研究室 京都大学
  • URL: http://www.photo.polym.kyoto-u.ac.jp/ja/gakkai