2017 Fiscal Year Annual Research Report

Proving 200% efficient charge generation via singlet exciton fission

Research Project

Project/Area Number	16K13669
Research Institution	The University of Tokushima
Principal Investigator	古部昭広徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (30357933)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2018-03-31
Keywords	有機太陽電池 / 励起子分裂 / シングレットフィッション / 過渡吸収分光 / 電荷分離 / 有機分子性結晶 / フェムト秒分光 / 反応ダイナミクス
Outline of Annual Research Achievements	古くから研究されている分子間の光誘起電子移動過程は、太陽エネルギー変換への応用の観点で重要である。最近注目されている有機固体における一重項励起子の分裂過程(三重項励起子を二つ生成)が、内部量子効率200%の太陽電池へ応用可能かどうか、レーザー過渡吸収分光に基づく反応素過程の解明から検証することを目的としている。この様な原理検証が成功すれば、デバイス開発の研究者に大きな弾みを与え、次世代太陽電池デバイスの研究開発の新たなブームを生み出す可能性がある。該当年度の実施計画は、過渡吸収分光法により一重項励起子分裂過程に続く電荷分離過程の定量評価を行うことであった。これまでに、テトラセン誘導体であるルブレンに着目し、単結晶試料における励起子フィッションが10psの時定数で起こることを強く示唆する結果を得ていた。しかし、ルブレン結晶においては、三重項励起子のエネルギーが低く(一重項励起子エネルギーの半分よりさらに小さい)、三重項励起子の電荷分離に必要なドライビングフォースが十分に得られないという問題が生じた。そこで、一般的な電子アクセプターであるフラーレンに代わる新たな材料として、酸化スズナノ粒子を検討した。一重項励起子分裂と生成した三重項励起子の界面への移動を同時に担保するため、ルブレンの結晶性と微結晶化を両立することが必要である。この条件達成のため、再結晶法の温度条件を詳細に検討し、ミクロンオーダー以下の微結晶と酸化スズナノ粒子の混合系の作製に成功した。過渡吸収分光測定の結果、効率的な一重項励起子分裂が進むことが観測できたが、その後、100ns程度の時間領域で、三重項励起子が電分離する過程は見られなかった。電子移動のドライビングフォースは十分あると考えられるので、三重項励起子の拡散距離が粒子サイズより小さいためと考えている。この知見の一部に関して学会にて発表を行った。