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高分子薄膜太陽電池における電荷再結合の抑制機構の解明

Research Project

Project/Area Number 18J20587
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Polymer chemistry
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

福原 友裕  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2019: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords有機太陽電池 / 共役高分子 / 電荷再結合 / 電荷寿命 / 曲線因子
Outline of Annual Research Achievements

高分子材料を発電層に用いた有機太陽電池(OPV)においては、取り出し可能な最大の電流である短絡電流と、電荷回収効率を表す曲線因子がトレードオフの関係にあり、変換効率の向上を妨げている。このトレードオフを解消するためには、OPVにおける電荷のダイナミクスが素子特性に与える影響を明らかにし、電荷再結合を抑制するための要因を解明することが必要である。本年度は、側鎖の分岐の違いにより開放電圧が異なるPTzBT系に着目することで、再結合を抑制するための理想的な界面構造とその設計指針について検討を行った。まず、開放電圧の温度依存測定を行った結果、開放電圧の差は電子ドナー材料とアクセプター材料の界面エネルギー準位の差に起因することが分かった。そこで、サイクリックボルタンメトリー測定を行い、高分子の結晶相と界面混合相のHOMO準位を分離評価した。その結果、結晶相のHOMO準位が同じである一方で、界面混合相のHOMO準位に差が見られることが分かった。したがって、開放電圧の違いは界面混合相のHOMO準位の差であると結論付けた。側鎖の違いによりこのような差が生じた原因について、DFT計算を行い考察した。その結果、HOMO準位の差は主に側鎖の立体障害による結合二面角の違いに起因する、電子的効果によることが明らかになった。すなわち、適切な側鎖の設計により結晶相のHOMO準位は維持したまま界面混合相のHOMO準位を調整し、開放電圧の向上につなげることができると言える。このような結晶相と混合相のHOMO準位の差はエネルギーカスケードと呼ばれ、電荷がよりエネルギー的に安定な結晶相へと移動しやすくなるため、再結合の抑制に有効である。したがって、側鎖の設計が、再結合の抑制において理想的な界面構造を実現するための手段のひとつであることを明らかにした。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Nongeminate Charge Recombination in Organic Photovoltaics2020

    • Author(s)
      Fukuhara Tomohiro、Tamai Yasunari、Ohkita Hideo
    • Journal Title

      Sustainable Energy & Fuels

      Volume: 4 Issue: 9 Pages: 4321-4351

    • DOI

      10.1039/d0se00310g

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of Non-Covalent SulfurーFluorine Interaction Position on Properties, Structures, and Photovoltaic Performance in Napthobisthiadiazole-Based Semiconducting Polymers2020

    • Author(s)
      Masahiko Saito, Tomohiro Fukuhara, Satoshi Kamimura, Hiroyuki Ichikawa, Hiroyuki Yoshida, Tomoyuki Koganezawa, Yutaka Ie, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita, and Itaru Osaka
    • Journal Title

      Adv. Energy Mater.

      Volume: 10 Issue: 7 Pages: 1903278-1903278

    • DOI

      10.1002/aenm.201903278

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhanced Charge Transport in a Conjugated Polymer Blended with an Insulating Polymer2020

    • Author(s)
      Hyung Do Kim, Ryo Iriguchi, Tomohiro Fukuhara, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita
    • Journal Title

      Chemistry - An Asian Journal

      Volume: 15 Issue: 6 Pages: 796-801

    • DOI

      10.1002/asia.201901743

    • NAID

      120006817455

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhanced Hole Transport in Ternary Blend Polymer Solar Cells2019

    • Author(s)
      Koshiro Midori, Tomohiro Fukuhara, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita
    • Journal Title

      ChemPhysChem

      Volume: 20 Issue: 20 Pages: 2683-2688

    • DOI

      10.1002/cphc.201900343

    • NAID

      120006734881

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dithiazolylthienothiophene Bisimide: A Novel Electron-Deficient Building Unit for N-Type Semiconducting Polymers2019

    • Author(s)
      Teshima Yoshikazu、Saito Masahiko、Fukuhara Tomohiro、Mikie Tsubasa、Komeyama Kimihiro、Yoshida Hiroto、Ohkita Hideo、Osaka Itaru
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 11 Issue: 26 Pages: 23410-23416

    • DOI

      10.1021/acsami.9b05361

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bimolecular recombination and fill factor in crystalline polymer solar cells2018

    • Author(s)
      Fukuhara Tomohiro、Tamai Yasunari、Osaka Itaru、Ohkita Hideo
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Issue: 8S3 Pages: 08RE01-08RE01

    • DOI

      10.7567/jjap.57.08re01

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ポリチオフェン/フラーレンブレンド膜における界面電荷移動状態からの電荷生成ダイナミクス2020

    • Author(s)
      北尾陽輝, 福原友裕, 玉井康成, 大北英生
    • Organizer
      2020 年web 光化学討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 全高分子太陽電池の相分離構造と電荷キャリアの二分子再結合2020

    • Author(s)
      Hyung Do Kim, 岩崎慎太, 福原友裕, 大北英生
    • Organizer
      第69 回高分子討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 三元ブレンド高分子太陽電池における正孔輸送特性の向上2019

    • Author(s)
      翠弘志朗, 福原友裕, 玉井康成, 大北英生
    • Organizer
      第68回高分子学会年次大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] ポリチオフェン/フラーレン界面に生成する電荷移動状態を経由した電荷生成2019

    • Author(s)
      北尾陽輝, 福原友裕, 玉井康成, 大北英生
    • Organizer
      第65回高分子研究発表会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Thickness Dependence of Fill Factors in Fluorinated-Naphthobisthiadiazole-Based Polymer Solar Cells2019

    • Author(s)
      Tomohiro Fukuhara, Masahiko Saito, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Itaru Osaka, Hideo Ohkita
    • Organizer
      SPIE Organic Photonics + Electronics (SPIE 2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 三元ブレンド高分子太陽電池における正孔キャリア輸送特性の向上2019

    • Author(s)
      翠弘志朗, 福原友裕, 玉井康成, Hyung Do Kim, 大北英生
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子太陽電池の埋もれた界面における電荷移動状態準位の向上2019

    • Author(s)
      玉井康成, 山嵜浩志, 福原友裕, 斎藤慎彦, 尾坂格, 大北英生
    • Organizer
      第68回高分子討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 三元ブレンド膜における正孔キャリア輸送特性の向上2019

    • Author(s)
      翠弘志朗, 福原友裕, 玉井康成, Hyung Do Kim, 大北英生
    • Organizer
      第68回高分子討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Thickness Dependence of Fill Factors in Naphthobisthiadiazole Polymer-Based Solar Cells2019

    • Author(s)
      Tomohiro Fukuhara, Masahiko Saito, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Itaru Osaka, Hideo Ohkita
    • Organizer
      Federation of Asian Polymer Societies Polymer Congress (FAPS 2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thickness Dependence of Fill Factors in Fluorinated Naphthobisthiadiazole-based Polymer Solar Cells2019

    • Author(s)
      Tomohiro Fukuhara, Masahiko Saito, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Itaru Osaka, Hideo Ohkita
    • Organizer
      Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フッ素を導入したナフトビスチアジアゾール系ポリマーを用いた太陽電池における曲線因子の膜厚依存性2019

    • Author(s)
      福原友裕, 斎藤慎彦, 玉井康成, Hyung Do Kim, 尾坂格, 大北英生
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 結晶性高分子太陽電池における電荷再結合と曲線因子2018

    • Author(s)
      福原友裕, 玉井康成, 大北英生
    • Organizer
      第67回高分子学会年次大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子太陽電池における二分子再結合と曲線因子2018

    • Author(s)
      福原友裕, 斎藤慎彦, 玉井康成, 尾坂格, 大北英生
    • Organizer
      第67回高分子討論会
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      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] 京都大学 高分子機能学研究室

    • URL

      http://www.photo.polym.kyoto-u.ac.jp/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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