Combined Electronic Structure and Quantum Dynamical Study of Organic Photovoltaics

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K05374
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田村 宏之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (60390655)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 有機系太陽電池 / 電荷分離 / シングレットフィッション

Outline of Annual Research Achievements

有機薄膜太陽電池のドナー‐アクセプター界面でのフリーキャリアの生成と電荷再結合との競合は太陽電池の内部量子効率を決定する重要な過程である。時間分解分光による測定では数100フェムト秒の超高速電荷分離が観察されており、界面の結晶性がキャリア生成効率に影響を与えることが示唆されている。有機半導体は誘電率が低く静電引力が電子・正孔対を界面にトラップさせる傾向があるため、効率的なフリーキャリアの生成がどのように起こるのかが議論の的となっている。研究代表者は、有機薄膜太陽電池のフリーキャリア生成機構を解明するため、第一原理計算と量子ダイナミックス計算を統合した理論解析を行った。光生成した励起子が界面に局在した電荷移動状態を経てフリーキャリアへ解離する過程を解析し、界面の結晶性による電荷の非局在化の効果と励起子の余剰エネルギーの効果（ホットエキシトン機構）を明らかにした。
有機結晶やπ共役高分子などの分子集合体中で一重項励起子が二つの三重項励起子へ分裂する現象はシングレット・フィッションと呼ばれ、一つの光子から二つの電子・正孔対を生成できることから太陽電池への応用が期待されている。研究代表者は、第一原理計算と量子ダイナミックス計算を用いてシングレット・フィッションの理論研究を行った。ペンタセンとルブレンの対照的なシングレット・フィッションのメカニズムを理論的に解明した。また、ヘキサセン結晶中のシングレット・フィッションの量子ダイナミックスを解析し、時間分解分光の実験結果を説明するメカニズムを解明した。さらに、三重項励起子のペアがフリーな三重項励起子へ解離する過程を理論解析し、反応速度と活性障壁の電子的起源を明らかにした。

Research Products

• [Int'l Joint Research] モンス大学(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: モンス大学
• [Int'l Joint Research] ゲーテ大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ゲーテ大学
• [Journal Article] Robust singlet fission in pentacene thin films with tuned charge transfer interactions (2018)
  • Author(s): K. Broch, J. Dieterle, F. Branchi, N.J. Hestand, Y. Olivier, H. Tamura, C. Cruz, V.M. Nichols, A. Hinderhofer, D. Beljonne, F.C. Spano, G. Cerullo, C.J. Bardeen, and F. Schreiber
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Pages: 954-1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-018-03300-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The entangled triplet pair state in acene and heteroacene materials (2017)
  • Author(s): C. K. Yong, A. J. Musser, S. L. Bayliss, S. Lukman, H. Tamura, O. Bubnova, R. K. Hallani, A. Meneau, R. Resel, M. Maruyama, S. Hotta, L. M. Herz, D. Beljonne, J. E. Anthony, J. Clark, and H. Sirringhaus
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Pages: 15953-1-12
  • DOI: 10.1038/ncomms15953
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] π-electron S =1/2 quantum spin-liquid state in an ionic polyaromatic hydrocarbon (2017)
  • Author(s): Yasuhiro Takabayashi, Melita Menelaou, Hiroyuki Tamura, Nayuta Takemori, Takashi Koretsune, A. Johan C. Buurma, Yusuke Nomura, Ryotaro Arita, Matthew J. Rosseinsky, and Kosmas Prassides
  • Journal Title: Nature Chemistry Volume: 9 Pages: 635-643
  • DOI: 10.1038/NCHEM.2764
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum dynamical studies of ultrafast charge separation in nanostructured organic polymer materials: Effects of vibronic interactions and molecular packing (2017)
  • Author(s): Polkehn Matthias、Eisenbrandt Pierre、Tamura Hiroyuki、Burghardt Irene
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 118 Pages: 25502-1-15
  • DOI: doi.org/10.1002/qua.25502
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of charge-transfer excitons in regioregular polythiophene on the charge separation at polythiophene-fullerene heterojunctions (2017)
  • Author(s): Polkehn M、Tamura H、Burghardt I
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 51 Pages: 014003-1-12
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aa93d0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Combined Electronic Structure and Quantum Dynamical Analysis for Charge Separation and Singlet Fission (2018)
  • Author(s): 田村宏之
  • Organizer: Nonadiabatica 2018: Theory of nonadiabatic processes
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanism of Singlet Fission in π-stacked Molecules: First Principles Calculations and Quantum Dynamics Calculations (2017)
  • Author(s): 田村宏之
  • Organizer: International Conference on Molecular Electronics and Bio-electronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Charge and exciton dynamics in organic photovoltaic and singlet fission (2017)
  • Author(s): 田村宏之
  • Organizer: Quantum Dynamics and Spectroscopy of Functional Molecular Materials and Biological Photosystems
  • Int'l Joint Research / Invited