2016 Fiscal Year Research-status Report
有機太陽電池の電荷分離・再結合の統計理論 による究明
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15K05406
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
関 和彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 上級主任研究員 (60344115)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 電荷分離 / 拡散 / 電場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池では、強いクーロン相互作用のために、電荷対の熱解離が抑制されていると考えられる。これに対して、測定されている励起子の解離確率は高く、その機構については不明な点が多い。強い引力的なクーロン相互作用に抗して起こる励起子の熱解離について、様々な機構が提案されているが、それらの相違を調べる方法の一つに、電荷対の解離確率の電場依存性がある。クーロン相互作用をしている電荷対の解離確率が、電場に強く依存する事は、最初にOnsagerによって示された。しかし、Onsagerが求めたのは点電荷の解離確率であり、有機薄膜太陽電池に対してそのまま適用することはできない。有機薄膜太陽電池では、電荷再結合は点電荷ではなく分子間で起こる。そのため、多くの実験の解析にはBraunによる簡便な理論式が用いられていた。しかし、Braunの式の導出は、その基礎がはっきりしないことと高電場領域での外部電場依存性が、厳密解と比較して強すぎるという問題点があった。我々は、誘電率が低い媒質においては、クーロン相互作用に抗して熱的に電荷分離する過程において、初期電荷分離の角度依存性が失われるという仮設の下でBraunの式より改善されしかも簡便な理論式を導出した。また、この仮設の妥当性を数値解で確認した。さらに、初期の電荷分離距離依存性についても近似解を導出し、その有効性を数値解で確認した。以上の結果は、一様な連続体について得られたが、有機薄膜太陽電池では、ドナー性の有機物質又はアクセプター性の有機物質内で生成した電荷対は、界面において解離すると考えられている。我々は電荷再結合界面での分子性の効果についても、簡便な理論式を求め、数値計算結果と比較し、電荷分離効率に対する分子性の効果について理論的な解釈を与えた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
Onsagerが求めたのは点電荷の解離確率であるが、電荷再結合は点電荷ではなく分子間で起こる事を考慮した厳密解が既に知られている。その結果は特殊関数の無限和で表されており、その重み因子も無限の行列方程式を解かなければならず、Onsagerの結果より複雑である。これまでは、初期の電荷分離に対する電場依存性は考慮されてこなかったが、これを考慮した厳密解を数値的に評価した。この厳密解を用いて、新しい簡便な理論式の評価を行った。さらに、この理論式が成立する電場の大きさについても数値計算を用いて評価した。今回得られた理論式は簡便でありながら、高電場領域まで厳密解を良く近似することから実験結果の解析に適している。既知の光生成した電荷移動錯体からの発光効率についてこの理論を適用した。そのために、電荷移動錯体からの発光効率と電荷分離効率との理論的な関係も与えた。この関係式を用いて、電荷分離効率の電場依存性についてこれまで知られていたBraunの式を用いると電場依存性が強く出てしまうことを示した。また、我々の近似式を適用することにより、電荷分離状態から電荷移動錯体が再形成される反応速度を求めた。ここで求めた電荷対の熱解離では、電荷対のクーロンエネルギーが熱エネルギーと同じになる電荷対間の距離であるオンサガー距離が重要な長さスケールである。低い誘電率の媒体では、電荷再結合が起こる距離がオンサガー距離よりも小さいことを用いて、初期の電荷分離距離依存性についても、厳密解から近似解を導出し、その有効性を数値解で確認した。また、次年度行う予定であった、電荷再結合界面での分子性の効果についても、簡便な理論式を求め、数値計算結果と比較した。そして、電荷分離効率に対する分子性の効果について配位数を用いた理論的な解釈を与えることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、誘電率が低い物質中での電荷分離効率について、電場依存性を表す理論式を導出した。又、電荷移動錯体からの発光効率と電荷分離効率との理論的な関係式を求めて、発光効率の電場依存性の解析を行った。発光の解析では、高電場の効果が重要であるが、太陽電池として作動している条件では、理想的には外部電場をかけず、内部電場だけを考慮する方が望ましい。すなわち、低電場で厳密な結果が重要である。そこで、低電場での厳密な結果について、整理する必要がある。厳密解の電場による展開式は、誘電率が低い極限で求めたが、より一般的な展開式を導出する。
電荷再結合に対する界面における分子性の効果については、配位数を用いた理論的な解釈を与えたが、有機結晶を仮定していた。構造や電荷の捕獲サイトのエネルギーに乱れがある場合についてこの結果を拡張する必要がある。数値的に構造の乱れを生成する方法は知られいる。配位数のゆらぎを考慮した理論式との比較を行う予定である。またサイトエネルギーの乱れを理論計算に取り入れる方法については既に発表している。この方法を拡張し、ゆらぎを自己無頓着に考慮する方法を開発して電荷対の解離確率を求める予定である。
有機太陽電池では、デバイス動作下での生成キャリアの濃度は高い。これまでは、電荷対の解離確率を求めてきたが、電荷対解離後の電荷が、電荷対である事を忘れて、バルクの電荷として相互作用する効果を考慮する必要がある。比較的単純な界面構造や逆に二相が複雑に入り組んだ界面について、バルクでの電荷生成効率や、光で生成する電圧についての計算に着手する。
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Research Products
(8 results)
