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Phase Separation Structures and Bimolecular Recombination in All Polymer Solar Cells

Research Project

Project/Area Number 22K14726
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 35010:Polymer chemistry-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

KIM HYUNGDO  京都大学, 工学研究科, 助教 (80837899)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords全高分子太陽電池 / 電荷回収効率 / 二分子再結合 / 電荷移動度 / 光捕集効率 / 曲線因子 / 過度光起電力/光電流測定 / 電荷回収測定 / 相分離構造 / 界面電荷分離
Outline of Research at the Start

全高分子ブレンド太陽電池のエネルギー変換効率をさらに向上させるためには、活性層の厚膜状態でも高いFFを維持することが非常に重要である。しかし、多くの全高分子ブレンド太陽電池では活性層の厚膜化にともない、二分子再結合の損失が増加しFFの減少が顕著で あるが、その起源は現状明らかになっていない状況である。そこで本研究では、ドナー・アクセプター(D/A)界面でのエネルギー構造や混合相の状態を明確に評価した上、再結合ダイナミクスを界面電荷分離(CT)平衡モデルやエントロピー効果(クーロン引力)の観点から解析することで、従来の経験則に頼っていた設計指針に加えて動作機構に基づいた設計指針を提示する。

Outline of Annual Research Achievements

全高分子ブレンド太陽電池においてさらなるエネルギー変換効率の向上させるためには、光活性層を厚膜することで光捕集効率を増加させ、短絡電流密度(JSC)を向上させる必要がある。しかしながら、厚膜素子では生成した電荷キャリアの輸送距離が長くなるため二分子再結合による失活が増加する。そのため、典型的な高分子太陽電池では、活性層の厚膜化にともない短絡電流密度(JSC)と曲線因子(FF)はトレードオフの関係にあることが知られている。このような課題を打破するためには、解離した電荷が優れた電荷輸送特性によって厚膜素子でも再結合する前に電荷を効率よく電極に回収することが求められる。そこで本研究では、電子ドナー材料として側鎖の異なる結晶性共役高分子を用いた全高分子ブレンド太陽電池について曲線因子の膜厚依存性が異なる原因を電荷 回収ならびに電荷再結合ダイナミクスの観点から包括的に検討を行った。また、移動度が異なるフラーレンおよび非フラーレン系高分子太陽電池において厚膜化による電荷生成および再結合ダイナミクスを評価し、素子特性の支配要因を検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

相分離構造の評価は、spring8で行う必要があるのですが、予約の状況が混雑しており予定よりやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、相分離構造とD/A界面におけるエネルギー構造に関する議論を行う。ブレンド膜における結晶性や配向は、素子作製中の熱処理によって変化するた め、アニール温度を変えてX線回折法により定量分析する。また、単膜とブレンド膜において、正孔のみを輸送するサンプルを作製し、In-situ 電流モード原子 間力顕微鏡を測定することで、混合相の厚さを定量評価する。また、D/A界面における混合相の状態は、用いるポリマーの相溶性によって大きく異なるため、示 差走査熱量測定法により結晶化温度と融点を測定することで、三相図(溶媒、ドナー相、そしてアクセプター相)を作成し、相溶性の観点から相分離構造を議論 する。さらに、D/A界面におけるエネルギー構造は、用いるポリマーの結晶性によって異なる。そのため、薄膜状態におけるサイクリックボルタンメトリー測定 により、D/A界面におけるエネルギー構造を各サンプルに対して明確にする。その結果をもとに全高分子ブレンド太陽電池における二分子再結合の支配要因を明 らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Ordered π-conjugated polymer backbone in amorphous blend for high efficiency nonfullerene organic photovoltaics2023

    • Author(s)
      Masahiko Saito, Hiroya Yamada, Kakaraparthi Kranthiraja, Jihun Jeon, Hyung Do Kim, Tsubasa Mikie, Akinori Saeki, Hideo Ohkita, Itaru Osaka
    • Journal Title

      Communications Materials

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1038/s43246-023-00395-y

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Interplay Between π‐Conjugated Polymer Donors and Acceptors Determines Crystalline Order of Their Blends and Photovoltaic Performance2023

    • Author(s)
      Yamanaka Kodai、Saito Masahiko、Koganezawa Tomoyuki、Saito Hayato、Kim Hyung Do、Ohkita Hideo、Osaka Itaru
    • Journal Title

      Advanced Energy Materials

      Volume: 13 Issue: 13 Pages: 202203443-202203443

    • DOI

      10.1002/aenm.202203443

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Correlating the structures and photovoltaic properties in phase-separated blends of conjugated donor polymers and acceptors2022

    • Author(s)
      Jeon Jihun、Doi Kiyotaka、Kim Hyung Do、Ogawa Hiroki、Takenaka Mikihito、Ohkita Hideo
    • Journal Title

      Polymer Journal

      Volume: 55 Issue: 4 Pages: 477-487

    • DOI

      10.1038/s41428-022-00718-9

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高分子太陽電池における曲線因子の膜厚依存性2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, 大北英生
    • Organizer
      第5回フロンティア太陽電池セミナー
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 高分子太陽電池の素子特性と電荷生成および再結合2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, 大北英生
    • Organizer
      第1回ナノ機能工学若手研究者交流会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Competition Between Charge Collection and Recombination Dynamics in Polymer/polymer Solar Cells2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita
    • Organizer
      The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] フラーレン系および非フラーレン系高分子太陽電池における曲線因子2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, 大北英生
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 高分子ブレンド太陽電地の厚膜素子における高い曲線因子の実現要件2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, 大北英生
    • Organizer
      第20回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Photovoltaic Properties and Phase-Separated Structures of Polymer Solar Cells2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Kiyotaka Doi, Hyung Do Kim, Hiroki Ogawa, Mikihito Takenaka, Hideo Ohkita
    • Organizer
      第40回国際フォトポリマーコンファレンス (ICPST-40)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Effects of Charge Collection and Recombination on Fill Factor in All-Polymer Solar Cells2023

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, and Hideo Ohkita
    • Organizer
      Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP-23)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Effects of Recombination Dynamics and Phase-Separated Structures on Fill Factor in All-Polymer Solar Cells2022

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, and Hideo Ohkita
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 結晶性ドナー高分子を用いた全高分子太陽電池における電荷回収2022

    • Author(s)
      Jihun Jeon, Hyung Do Kim, and Hideo Ohkita
    • Organizer
      第2回先端ナノミクス若手研究者交流会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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