Development of high-performance organic photovoltaic materials that do not require nanometer-scale phase separation
| Project/Area Number |
22K19091
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
梅山 有和 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (30378806)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 非フラーレンアクセプター / バルクヘテロ接合 / 一重項励起子寿命 / チエノアザコロネン |
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| Outline of Research at the Start |
有機薄膜太陽電池（OPV）は、軽量・低コスト・環境低負荷などの利点から次世代太陽電池として期待を集めているが、素子作製の低い再現性や、低い安定性などが実用化のネックとなっている。本研究では、非フラーレンアクセプター（NFA）材料において、エネルギーギャップ則から生じるジレンマを克服するという革新的アプローチにより、OPV光活性層中のナノスケール相分離構造を不要にする。それにより、高効率・高安定性・高再現性を兼ね備えたOPVを実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池（OPV）は、有機半導体材料を用いるがゆえに、軽量かつフレキシブルにできる、印刷プロセスが適用できる、鉛などの有害物質が不要である、などの特徴をもつ。このような利点を活かして、シリコン太陽電池では困難な用途においての実用化が可能であり、次世代のエネルギーデバイスとして期待されている。しかし、変換効率が比較的低いことに加え、素子作製の低い再現性や、低い安定性などがOPVの実用化のネックとなっている。本研究では、それらの課題を克服するため、OPVの非フラーレンアクセプター（NFA）材料において、エネルギーギャップ則から生じるジレンマを克服するというアプローチにより、OPV光活性層中のナノスケール相分離構造を不要にする材料を開発することを目的としている。
これまでに、チオフェン連結チエノアザコロネン（S-TAC）構造を含むNFAを報告してきた。S-TAC含有NFAは、小さなバンドギャップと長寿命一重項励起子を両立させることが分かっている。本研究では、セレノフェン連結チエノアザコロネン（Se-TAC）構造を含むNFAを新規に開発し、S-TAC含有NFAとの比較を行った。すると、Se-TAC含有NFAのOPV性能はS-TAC含有NFAと比べて大幅に低くなり、チエノアザコロネンに連結する部分の構造が重要であることがわかった。その性能低下の原因を解明するため、近赤外発光スペクトルを測定したところ、S-TAC含有NFA薄膜とは対照的にSe-TAC含有NFA薄膜は蛍光を示さなかった。このことから、Se-TAC含有NFAにおいては、熱的失活あるいは項間交差が促進されて一重項励起子が短寿命化していることが、OPV性能低下をもたらしていることがわかった。
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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
セレノフェン連結チエノアザコロネン構造を含む非フラーレンアクセプターであるSe-TACICの合成に成功し、その構造、光物性、電気化学特性を調べた。また、共役系高分子PBDB-Tを電子ドナーとした複合薄膜を作製し、その膜構造や太陽電池特性を調べた。これらの成果は研究実施計画にしたがって得られたものであり、研究はおおむね順調に進展していると言える。しかしながら、当初予測に反して、Se-TACICの太陽電池性能は、すでに開発済みであったチオフェン連結チエノアザコロネン構造を含む非フラーレンアクセプターであるS-TACICと比較して劣るものであった。その予期しなかった結果に対しても、薄膜状態での光物性を調べることで、Se-TACICにおいては、熱的失活あるいは項間交差が促進されて一重項励起子が短寿命化していることが原因であると解明できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、セレノフェンやチオフェンではなく、フランが連結したチエノアザコロネン構造を含む非フラーレンアクセプター（NFA）であるO-TACICの合成に取り組む。また、TACIC系NFAの末端基を位置選択的にハロゲン化することにより、分子間相互作用が最適化されたNFAを創出する。
一方、TACICはNFAの主鎖骨格が縮環構造で繋がれた構造を有している。そのような構造は、平面性が高く、電荷輸送に優れているという利点を有するが、一般に合成が煩雑である。そこで最近では主鎖骨格が単結合で繋がれつつも高い平面性を有する非縮環NFAが注目を集めている。今後は、フェナジンやキノキサリンなどのユニットが単結合で繋がれた構造を有する非縮環型NFAを新規に合成することを目指す。
これらの新規NFAと共役系高分子ドナーとの複合薄膜に対して、各種顕微鏡観察や時間分解分光測定などにより、その相分離構造と光物性の相関を明らかにする。さらに、その複合薄膜を光活性層に用いたOPV素子を構築し、変換効率やデバイス安定性の評価を行う。また、複合薄膜作製条件がデバイス性能に与える影響を調べ、デバイス性能の再現性の取りやすさの評価を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
