その場実測した状態密度に基づく有機半導体デバイスのキャリア動作の解明

• Project/Area Number: 18J21921
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Device related chemistry
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 清水 康平 千葉大学, 融合理工学府, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2020: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 紫外光電子分光 / ペロブスカイト太陽電池 / ギャップ内準位 / 欠陥準位 / 光電子分光 / 状態密度 / 配向分極 / 高感度紫外光電子分光 / 有機EL素子 / 有機半導体 / キャリア注入 / キャリア生成層

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、ワイツマン科学研究所のＤａｖｉｄ　Ｃａｈｅｎ教授のグループと共同で有機無機ペロブスカイト太陽電池の素子性能と電子構造との関連の解明を進めた。特に、高効率材料として注目を集める2D/3D混合材料について、既存材料にあるバンドギャップ内の欠陥準位をもたないこと、ギャップ内準位の波動関数の主な波数成分が既存材料のそれと大きく異なることを明らかにした。
典型的な太陽電池材料の臭化物ペロブスカイトにおいては、ギャップ内準位の存在が光学的測定手法により判明している。近年、ペロブスカイト層状結晶を3次元結晶に組み入れた2D/3D混合膜が、従来の3D結晶を上回る量子効率を示し注目されている。そこで、2D/3Dおよび3D構造の臭化物材料について高感度UPSによりギャップ内の微少状態密度の分布を実測・比較し、2D/3D材料の高い性能と電子構造との相関を把握することを目指した。
光熱偏向分光やフォトルミネッセンスなどの光学手法で3D材料を測定すると、価電子帯上端から0.3 eV以上ギャップ中央寄りの“深い”トラップは観測されなかったが、高感度UPSでは同端から0.7 eV-1.7 eVの範囲に価電子帯より3桁低い状態密度をもつピークを観測した。2D/3Dではこの区間にピークはなく、状態密度は常に3Dを下回った。加えて始状態固定(CIS)法で分析したところ、始状態が“微少準位分布”のとき、3Dでは終状態運動エネルギー0.3 eV-0.5 eVに相当する波数が主成分だが、2D/3Dは少なくとも<1.0 eVは主成分でなく、有意に異なっていた。
以上の結果は、2D構造の導入がギャップ内準位を大幅に抑制する、高効率性と少ギャップ準位の相関を示すもので、あわせて高感度UPSが微少準位の波動関数の性質を識別できるという材料開発への応用性を提示するものである。これらの成果は国際学術誌にて発表された。

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Cavendish Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] Augsburg University/Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Augsburg University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Journal Article] Direct Probing of Gap States and Their Passivation in Halide Perovskites by High-Sensitivity, Variable Energy Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (2021)
  • Author(s): Kohei Shimizu, Igal Levine, Alberto Lomuscio, Michael Kulbak, Carolin Rehermann, Arava Zohar, Mojtaba Abdi-Jalebi, Baodan Zhao, Susanne Siebentritt, Fengshuo Zu, Norbert Koch, Antoine Kahn, Gary Hodes, Richard H. Friend, Hisao Ishii*, and David Cahen
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 125 Issue: 9 Pages: 5217-5225
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c11627
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystalline versus Amorphous Donor-Acceptor Blends: Influence of Layer Morphology on the Charge-Transfer Density of States (2020)
  • Author(s): Theresa Linderl, Thomas Zechel, Alexander Hofmann, Tomoya Sato, Kohei Shimizu, Hisao Ishii, and Wolfgang Bruetting
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 13 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.13.024061
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gap States of a Polyethylene Model Oligomer Observed by Using High-Sensitivity Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (2019)
  • Author(s): YAMAGUCHI Yuki、SHIMIZU Kohei、MATSUZAKI Atsushi、SANO Daisuke、SATO Tomoya、TANAKA Yuya、ISHII Hisao
  • Journal Title: IEICE Transactions on Electronics Volume: E102.C Issue: 2 Pages: 168-171
  • DOI: 10.1587/transele.2018OMS0008
  • NAID: 130007586586
  • ISSN: 0916-8524, 1745-1353
  • Year and Date: 2019-02-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dipolar Doping of Organic Semiconductors to Enhance Carrier Injection (2019)
  • Author(s): Hofmann, AJL ; Zufle, S ; Shimizu, K ; Schmid, M ; Wessels, V ; Jager, L ; Altazin, S ; Ikegami, K ; Khan, MR ; Neher, D ; Ishii, H ; Ruhstaller, B; Bruetting, W
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW APPLIED Volume: 12 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.12.064052
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct Evidence for In-Gap States in Bromide Perovskites and Their Effects on Devices (2019)
  • Author(s): Arava Zohar, Igal Levine, Kohei Shimizu, Michael Kulbak, Hisao Ishii, Gary Hodes, David Cahen
  • Organizer: 2019 MRS Spring Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 波長掃引型高感度光電子分光によるペロブスカイト単結晶の電子構造観察 (2019)
  • Author(s): 清水 康平, Igal Levine, Arava Zohar, Michael Kulbak, Antoine Kahn, Gary Hodes, David Cahen, 石井 久夫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高感度光電子分光で観測される有機材料薄膜の” 浅い”準位 の起源 (2018)
  • Author(s): 清水 康平, 山崎 純暉, 金城 拓海, 佐藤 友哉, 吉田 弘幸, 田中 有弥, 石井 久夫
  • Organizer: 第13回有機デバイス・物性院生研究会
• [Presentation] 高感度光電子分光で観察したキャリア生成層HAT-CNの電子構造 (2018)
  • Author(s): 清水 康平, 山口 雄生, 丸山 泰一, 井手 一郎, 東海林 弘, 石井 久夫
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] “Shallow States” of Organic Films Observed by hν-Dependent High-Sensitivity Photoemission (2018)
  • Author(s): Kohei Shimizu, Yuki Yamaguchi, Junki Yamazaki, Tomoya Sato, Hiroumi Kinjo, Hisao Ishii
  • Organizer: 9th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-IX)
  • Int'l Joint Research