有機半導体の状態密度分布の制御による低照度下でも高効率な太陽電池の創成
Project/Area Number |
22K05262
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 35030:Organic functional materials-related
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Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
Principal Investigator |
中野 恭兵 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (00726896)
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Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 有機半導体 / 状態密度分布 / 光強度依存性 / 光電子収量測定 |
Outline of Research at the Start |
柔らかく・軽い有機薄膜太陽電池をわれわれの生活空間に取り入れれば,散逸する光エネルギーを再び電気エネルギーに変えることができ,社会のエネルギー使用効率の改善が見込める。それには室内光など弱い光の下で効率的に発電できる有機薄膜太陽電池が必要である。本研究では,光量によらずに高い光電変換効率を示す有機薄膜太陽電池の創成を目標とし,有機半導体の状態密度分布エンジニアリングでその実現を目指す。申請者の独自手法である超高感度光電子収量測定法を駆使して有機半導体の状態密度分布を実測評価,微弱光下での太陽電池特性と状態密度分布の関連を解明,さらに状態密度を積極的にコントロールする手法の開拓を行う。
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Outline of Annual Research Achievements |
本研究では,光量によらずに高い光電変換効率を示す有機薄膜太陽電池の創成を目標とし,有機半導体の状態密度分布エンジニアリングでその実現を目指す。 昨年度は、有機半導体の状態密度分布を超高感度に計測する手法を用いて、状態密度分布の幅が電界効果トランジスタの特性をどのように決めるのかを明らかにした。高分子半導体の電荷移動度は状態密度の幅が狭くなるほど高くなることが見出された。したがって、太陽電池中で効率的に電荷を取り出すためには、高分子電子ドナー材料の状態密度分布幅を狭く(=移動度を高く)する方針が適当である。この結果はSmall誌にて報告した(DOI:10.1002/smll.202205570)。
高効率な有機太陽電池の光電変換特性を光強度を変えながら測定した。短絡電流は光強度に線形に依存する自然なふるまいを示した。一方、開放電圧とフィルファクタは光強度が減少すると急激に減少した。開放電圧と照射光強度の間には指数関数的な依存性があるが、光量が弱くなったある時点からこの依存性から外れ、大きく減少する。この原因は、光強度が弱い時に光が作る電流と、暗状態で半導体中を流れる電流が同程度になるためである。言い換えると、太陽電池におけるシャント抵抗が不足している、もしくは不要なリーク電流が大きい。このリーク電流を低減すれば、低光強度下でも開放電圧・フィルファクタの大幅な減少が避けられるはずである。このリーク電流の原因が半導体材料の内因的な特性にあるのか、それとも素子構造に依存した外因的なものなのか検証しているところである。
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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
高分子半導体の状態密度分布の超高感度計測に関しては、2021年度・2022年度に学術論文として2報報告した。測定した状態密度の形と実際の半導体素子特性の間に妥当な相関が見られている。本測定装置のソフトウェア・ハードウェア面における改良も進んでおり、効率的に信頼性高く材料の状態密度を評価できる環境が整った。状態密度分布と太陽電池特性の間の関連について、多様な材料系を探索的に調べることで少しずつ理解が進んでいる。 素子のリーク電流については、まったく想定していなかったが、技術的に大きな問題である。このリーク電流が材料の状態密度の決まっているとすると、これまでに報告例がないので面白い結果になると思うが、その点はまだ明らかではない。
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Strategy for Future Research Activity |
1. 状態密度分布と太陽電池特性の関連:種々の高分子ドナー材料、低分子アクセプタ材料の状態密度分布の評価を進め、実際に太陽電池素子を作成し、特性の光強度依存性を調べる。有機薄膜太陽電池には通常バルクヘテロジャンクションと呼ばれる、2種類の材料を混合した構造が用いられるが、状態密度の影響を詳細に調べるため、2つの材料を積層した平面積層型構造の採用を検討中である。 2. 材料の状態密度制御:現在活発に研究されているPM6と呼ばれる高分子ドナーは、成膜に用いる有機溶媒の沸点の違いにより、状態密度分布の形状が変化することを見出している。また、PTB7と呼ばれる別の高分子材料では、チオフェン環を付与することで状態密度分布幅が劇的に狭くなる。溶媒や置換基の挿入で状態密度をコントロールする手法を確立する。
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)