有機・無機太陽電池の異種界面ホール輸送材料の探索

• Project Area: Creation of Element-Block Polymer Materials
• Project/Area Number: 15H00747
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐伯 昭紀 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10362625)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2016: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 太陽電池 / ペロブスカイト / 周波数変調 / ホール移動 / 時間分解マイクロ波伝導度 / π共役高分子 / π共役分子 / 有機無機ハイブリッド / 共役高分子 / 電荷ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

無機半導体・ペロブスカイト膜・有機ホール輸送層の積層構造から成るハイブリッド型太陽電池の高性能化を目指して、異種界面で優れた性能を発揮する高分子ホール輸送層の開発とその基礎過程の解明を目的とする。有機無機ペロブスカイト太陽電池は、高い変換効率から近年非常に注目を集めているが、ホール輸送層の役割、大きいヒステリシスの出現、電荷解離・電荷輸送機構は未だ不明な点が多く、デバイス性能とリンクした構造・材料・プロセス・発電機構の解明が必要である。研究代表者らが独自に開発したGHz周波数変調複素過渡光伝導度法（FM-TRMC）は、有機無機ペロブスカイトからホール輸送層（HTL）へのホール移動過程を簡便・迅速かつ直接観察できるため、優れた高分子ホール輸送材を探索するのに最適である。
本年度は、ペロブスカイト薄膜単体と種々のπ共役高分子ホール輸送層を塗布したペロブスカイト2層膜のTRMC評価を行った。太陽電池素子では光を吸収し、電荷を発生・輸送する活性層の他に、正負電荷を損失することなく電極へ輸送する電荷輸送層も重要な役割を担っている。近年の有機薄膜太陽電池研究を通じて、数多くの低分子・高分子半導体が報告されているが、その中でペロブスカイト太陽電池のHTLや電子輸送層に適した材料を選定・新規開発するには、効率的な材料スクリーニングが必要である。研究の結果、TRMC法を用いることで、太陽電池素子を作製することなく、ホール移動過程を安定・高速に直接観察することに成功し、性能支配因子を解明することができた。この結果に基づき、高性能HTL材料開発に向けた化学構造・HOMO準位の設計に関する考察を行った。本研究期間を通じてTRMC法はHTL材料だけでなく、非鉛ペロブスカイト材料や光触媒材料の探索にも有効であり、また、実験的高速スクリーニングとデータ科学の融合が材料研究に有用であることも示した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 釜山大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] NIIST(インド)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ワシントン大学(米国)
• [Journal Article] Quantifying Hole Transfer Yield from Perovskite to Polymer Layer: Statistical Correlation of Solar Cell Outputs with Kinetic and Energetic Properties (2016)
  • Author(s): N. Ishida, A. Wakamiya, A. Saeki
  • Journal Title: ACS Photonics Volume: 3 Issue: 9 Pages: 1678-1688
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00331
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Insight into the energy loss in organic solar cells based on benzotrithiophene copolymers: A dark current analysis at low temperature (2016)
  • Author(s): E. Al-Naamani, M. Ide, A. Gopal, A. Saeki
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 55 Issue: 2 Pages: 022303-022303
  • DOI: 10.7567/jjap.55.022303
  • NAID: 210000146025
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hole-Transporting Materials with a Two-Dimensionally Expanded π-System around an Azulene Core for Efficient Perovskite Solar Cells (2015)
  • Author(s): H. Nishimura, N. Ishida, A. Shimazaki, A. Wakamiya, A. Saeki, L. T. Scott, and Y. Murata
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 137 Issue: 50 Pages: 15656-15659
  • DOI: 10.1021/jacs.5b11008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Study of Photoelectric Conversion in Benzotrithiophene-Based Conjugated Semiconducting Polymers (2015)
  • Author(s): E. Al-Naamani, M. Ide, A. Gopal, A. Saeki, I. Osaka, and S. Seki
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 28 Issue: 4 Pages: 605-610
  • DOI: 10.2494/photopolymer.28.605
  • NAID: 130005101125
  • ISSN: 0914-9244, 1349-6336
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Pressure Modulation of Backbone Conformation and Intermolecular Distance of Conjugated Polymers Toward Understanding the Dynamism of π-Figuration of their Conjugated System (2015)
  • Author(s): Y. Noguchi, A. Saeki, T. Fujiwara, S. Yamanaka, M. Kumano, T. Sakurai, N. Matsuyama, M. Nakano, N. Hirao, Y. Ohishi, and S. Seki
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 119 Issue: 24 Pages: 7219-7230
  • DOI: 10.1021/jp5100389
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rational Molecular Design Towards vis/NIR Absorption and Fluorescence using Pyrrolopyrrole aza-BODIPY and its Highly Conjugated Structures for Organic Photovoltaics (2015)
  • Author(s): S. Shimizu, T. Iino, A. Saeki, S. Seki, N. Kobayashi
  • Journal Title: Chemistry A European Journal Volume: 21 Issue: 7 Pages: 2893-2904
  • DOI: 10.1002/chem.201405761
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spiro-1,3-Dioxolanofullerenes with Low-Lying LUMO Level for Organic Solar Cells (2015)
  • Author(s): Tsubasa Mikie, Akinori Saeki, Naohiko Ikuma, Ken Kokubo, Shu Seki
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 44 Issue: 3 Pages: 282-284
  • DOI: 10.1246/cl.141008
  • NAID: 130004712953
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New Efficient (Thio)acetalized Fullerene Monoadducts for Organic Solar Cells: Characterization Based on Solubility, Mobility Balance, and Dark current (2015)
  • Author(s): Tsubasa Mikie, Akinori Saeki, Hiroyuki Masuda, Naohiko Ikuma, Ken Kokubo, Shu Seki
  • Journal Title: J. Mater. Chem. A Volume: 3 Issue: 3 Pages: 1152-1157
  • DOI: 10.1039/c4ta05965d
  • Peer Reviewed
• [Presentation] International Conference on Polymer Science and Technology, MACRO-2017」Optoelectronic and Thermodynamic Properties of Organic Lead Halide Perovskite (2017)
  • Author(s): A. Saeki
  • Organizer: MACRO-2017
  • Place of Presentation: Trivandrum, India
  • Year and Date: 2017-01-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of Polymer-Fullerene Solar Cell Based on Time-Resolved Spectroscopy (2017)
  • Author(s): A. Saeki
  • Organizer: ICAFM-2017
  • Place of Presentation: Chennai, India
  • Year and Date: 2017-01-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantification of Hole Transfer Yield form Organic Lead Iodide Perovskite to Polymer Hole Transport Layer (2016)
  • Author(s): A. Saeki
  • Organizer: ISPAC2016
  • Place of Presentation: Kuching, Malaysia
  • Year and Date: 2016-08-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 非対称高分子の設計とヘテロ界面でのホール移動直接観察 (2016)
  • Author(s): 佐伯昭紀
  • Organizer: 「光・電子機能を有する高分子・液晶材料」講演会
  • Place of Presentation: 高松市、香川県
  • Invited
• [Presentation] 有機無機ハイブリッド次世代太陽電池のマテリアル探索 (2016)
  • Author(s): 佐伯昭紀
  • Organizer: 若手材料研究会・技術交流フォーラム
  • Place of Presentation: 名古屋市、愛知県
  • Invited
• [Presentation] ペロブスカイト・共役高分子異種界面での電荷移動 (2016)
  • Author(s): 佐伯昭紀
  • Organizer: 有機太陽電池研究コンソーシアム 第22回定例研究会
  • Place of Presentation: 宇治市、京都府
  • Invited
• [Presentation] Device-less Evaluation of Organic/Perovskite Photovoltaics Towards Improving their Efficiencies (2015)
  • Author(s): A. Saeki
  • Organizer: The 2nd ANGEL Symposium
  • Place of Presentation: Yamagata Univ. (Yamagata City, Yamagata)
  • Year and Date: 2015-11-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CH3NH3PbxSn1-xI3ペロブスカイトの局所電荷キャリア移動度 (2015)
  • Author(s): 大賀光，尾込裕平, 早瀬修二，佐伯昭紀
  • Organizer: 応用物理学会2015年秋季講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] ペロブスカイト結晶/共役高分子ヘテロ界面の正孔移動過程 (2015)
  • Author(s): 石田直輝，大賀光, 佐伯昭紀
  • Organizer: 応用物理学会2015年秋季講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 有機・無機太陽電池の異種界面ホール輸送材料の探索 (2015)
  • Author(s): 佐伯昭紀
  • Organizer: 元素ブロック第７回合同班会議
  • Place of Presentation: メルパルク京都（京都府京都市）
  • Year and Date: 2015-07-02
• [Book] 元素ブロック材料の創出と応用展開 (2016)
  • Author(s): 佐伯昭紀（分担執筆）
  • Total Pages: 265
  • Publisher: CMC出版
• [Remarks] Researcher ID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/B-7756-2011
• [Remarks] ORCID
  • URL: https://orcid.org/0000-0001-7429-2200
• [Remarks] Lab website
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~saeki/cmpc/