2016 Fiscal Year Research-status Report
第一原理計算による電子・ホール分離過程の有機薄膜太陽電池シミュレーション
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15K05403
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
島崎 智実 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究機構, 研究員 (40551544)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / シミュレーション / 励起子分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、有機薄膜太陽電池はシリコン等の無機系太陽電池を代替・補完するものとして注目を集めている。有機薄膜太陽電池は、シリコンなどの無機太陽電池と比較して簡便かつ安価に作成できることに加え、軽量・フレキシブルなどの特性を生かした新たな太陽電池の活用が期待できるためである。ただし、エネルギー変換効率が低い(10%程度)のため、有機薄膜太陽電池の実用化にはエネルギー変換効率の向上が望まれている。エネルギー変換効率向上のためには、有機薄膜太陽電池のメカニズムを解明し、開発・設計に生かせるシミュレーション技術が必要不可欠となっている。本研究プロジェクトでは有機薄膜太陽電池の開発・設計に生かせるようなシミュレーション技術の開発を行う。特に、電荷分離過程の詳細なメカニズムが不明なことが、変換効率向上を妨げていた。これは、電荷分離過程をシミュレーションするための基礎的なシミュレーション法が整備されていなかったことが要因の1つとっている。有機薄膜太陽電池中では、ドナー・アクセプター界面のバンドオフセットから、電子に対して過剰なエネルギーが与えられ、電子は過剰エネルギーを持った状態(hot state)になると考えられる。このhot stateが有機薄膜太陽電池中で電子とホールが分離するために重要な寄与をする。しかし、OnsagerやFrenkelらの従来シミュレーション手法では、外部電場が電荷分離のためのドライビングフォースとして仮定されており、hot stateを適切に取り扱えていなかった。そこで、本研究では、hot stateを扱えるシミュレーション手法を新たに開発することによって、電子とホールの分離過程を詳細に調べた。さらに、有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率をシミュレートするための方法論とプログラムを開発した。
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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
昨年度は、有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率をシミュレーションするための方法論を構築し、そのためのプログラムを作成した。開発を行った手法は有機薄膜太陽電池のダイオードモデルをベースとしているが、hot Charge Transfer (CT) 状態を扱えるようにモデルを拡張した。さらに、有機薄膜太陽電池のミクロスコピックな現象とマクロスコピックな指標を結合できるように方法論を構築した。有機薄膜太陽電池のミクロスコピックなプロセスは次の4つのプロセスに大別できる： 1) 太陽光の吸収、2) 光子吸収によって発生したエキシトンのドナー・アクセプター界面への拡散、3) 界面での電子（電荷）移動、そして、4)電子と正孔（エキシトン）の分離。最後のエキシトン分離過程については、これまでプロジェクトにおいて、その収率をシミュレーションできる方法を開発してきた。本年度では、残りのミクロスコピックな過程についても収率を計算するための計算方法を開発し、マクロスコピックな現象を扱うためのダイオードモデルと組み合わせた。さらに、開発した手法を用いることによって、有機薄膜太陽電池のデバイス特性に関するシミュレーションを行った。結果、hot CT状態とアクセプター材料の次元性がデバイスの性能を向上させるために重要な働きをしていることを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究では、これまで開発を行ってきた有機薄膜太陽電池の変換効率をシミュレートするための技術を基礎として、より現実に近い系を計算できるように手法の改良と実際の適用を行っていく。これまでは有機薄膜太陽電池に使われる材料を理想的なモデルとして扱ってきた。本年度では原子・分子のレベルから材料のモデル化を行い、実際の有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率を計算することを計画している。特に、有機薄膜太陽電池でしばしば用いられるPCBM材料について、分子動力学で原子スケールのシミュレーションを行い、得られた構造から有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率を計算することを試みる。このようなシミュレーションを行うことによって、実際に有機薄膜太陽電池中で起こっている現象の詳細を原子スケールから明らかにする。
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| Causes of Carryover |
研究を遂行していくのに必要なデータを蓄えるために、ハードディスクドライブもしくはNASの購入を検討していたが、想定していたよりも大量のデータを保存する必要が研究の途中で明らかとなった。そこで、必要なハードディスク容量を正確に見積もるために、計画していた物品の購入を見送った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究で必要となるデータ量のおおよその概算値が算出することができた。本年度では研究上必要となるNASを購入する。
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