2018 Fiscal Year Annual Research Report
新規太陽エネルギー変換材料における光励起キャリア物理の探求
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16H03867
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小澤 健一 東京工業大学, 理学院, 助教 (00282822)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 巌 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00343103)
山本 達 東京大学, 物性研究所, 助教 (50554705)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 有機太陽電池 / 光励起 / キャリアダイナミクス / 時間分解光電子分光 / シンクロトロン放射光 / 光電変換効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
可視・紫外線レーザーと軟X線領域のエネルギーを持つ放射光を用いたポンプ・プローブ法による時間分解軟X線光電子分光(time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy; TR-XPS)は，固体表面やヘテロ接合界面における過渡的な電荷状態の変化を，内殻準位XPSピークのエネルギーシフトとして捉えることが可能である。内殻準位エネルギーは元素固有であるため，TRXPSは元素選択的に構成物質の過渡的な電荷状態を追跡できる。この性質を利用して，本研究は光触媒や太陽電池のような光電変換材料において光励起キャリアの動的振る舞いをサブナノ秒の時間分解能で検証し，励起キャリアの輸送過程や再結合による消失過程を明らかにしてきた。これら測定結果から，光電変換効率を高めるための物質選択や，ヘテロ接合界面の構築に関する設計指針を得ることが，本研究の目的である。
平成29年度に実施したフラーレンとフタロシアニンが二酸化チタン電極に積層した薄層型の有機太陽電池モデル系では，可視・紫外光レーザーはフラーレンとフタロシアニンにより吸収され，マイクロ秒オーダーで励起状態が持続することを明らかにした。平成30年度では，フラーレンとフタロシアニンの積層順を変えることで，キャリア挙動にどのような影響が出るのかを検証した。その結果，有機層の膜厚が十分に小さい場合にはキャリア挙動への影響がなく，マイクロ秒オーダーの励起状態の維持できることが明らかになった。
また，フラーレン単独の場合に比べて，フラーレンとフタロシアニンが共存する場合にフラーレンの励起効率が向上することが分かった。これは，光励起したフタロシアニンからフラーレンへエネルギー移動が起こる過程が新たに生じるためだと結論した。
以上の結果は，有機太陽電池において光電変換効率を高める方策を示唆している。
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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
有機太陽電池のモデル系であるフタロシアニン/フラーレン/二酸化チタン積層系の光励起キャリアダイナミクスは，平成29年度に行った時間分解光電子分光実験から明らかにしていた。平成30年度では，この系におけるキャリアダイナミクスの理解を深めるために，積層順番を変えたフラーレン/フタロシアニン/二酸化チタン積層系を作製し，光励起キャリアダイナミクスと界面電子状態の関係を光電子分光法と時間分解光電子分光法により検証した。さらに，フタロシアニン/フラーレン/二酸化チタン積層系において，可視光の光電変換効率を調べる実験も進め，紫外光と同等の変換効率があることを明らかにするなど，有機太陽電池の基礎物性の知見を得ることができた。
平成30年度は国際会議での講演2件（うち1件は招待講演），また二酸化チタン光触媒と有機太陽電池に関する論文を3報出版するなど，順調に成果を出すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の最終年度になる平成31年度は，光触媒，有機太陽電池といった光電変換材料を対象に蓄積してきた光励起キャリアダイナミクスと光触媒活性，光電変換効率の関係を整理する。そのうえで，電子構造，キャリアダイナミクス（励起キャリア寿命），および活性・効率の三者の相関を明確にした上で，材料の違いを超えた普遍的な光電変換の物理を見出す。それに基づいて高効率の光触媒，あるいは（有機）太陽電池システムを設計し，物性を評価することで，光電変換物理に基づいた設計指針の妥当性を検証する。
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