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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Organic single crystal

Research Project

Project/Area Number 17H02768
Research InstitutionInstitute for Molecular Science

Principal Investigator

平本 昌宏  分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 教授 (20208854)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords有機単結晶エレクトロニクス / ドーピング / 飛程 / 有機単結晶太陽電池 / 超低速共蒸着法 / バンド伝導
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、ドーピングによるpn制御のバンド伝導有機半導体単結晶への適用を世界で初めて行ない、ドーピング有機単結晶太陽電池等の、新しい有機単結晶デバイスの動作を実証し、「有機単結晶エレクトロニクス」の基礎を構築することを目的とする。
昨年度、電子輸送性のナフタレン誘導体(NTCDA)単結晶において、単結晶基板に平行な横方向に、光生成した電子を数十マイクロメーターに達する距離を輸送して取り出すことに成功した。単結晶表面の電極間距離を変化させた際に、電子の飛程を越えた距離で光電流が急減する実験結果から、電子輸送可能距離である飛程を30マイクロメーターと決定できた。さらに、NTCDAの電子移動度が10-2 cm2/Vsであることから、1 cm2/Vs程度の高移動度有機半導体結晶を用いれば、1 mm程度の飛程が可能であると予測できた。この予想に基づき、電子移動度(1.7 cm2/Vs)とホール移動度(43 cm2/Vs)を示す2種の有機半導体結晶性薄膜を用い、ミリメータオーダーに達する電子飛程0.2 mm、ホール飛程0.4 mmを実測できた。この結果は、本研究の目標である水平交互積層型有機単結晶太陽電池が実際に作製可能であることを強く示唆している。
また、正孔に対してバンド伝導を示すルブレン単結晶に、アクセプターとして働く塩化鉄を、超低速共蒸着法によって1 ppmの超低濃度でドーピングすることに成功し、ドーピング有機単結晶作製の基本技術を確立した。
以上の結果は、「有機単結晶エレクトロニクス」の基盤となる成果である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

バンド伝導性ルブレン単結晶にアクセプタードーピングできる結果は、ドーピング有機単結晶における、キャリア濃度、移動度をホール効果によって実測できることを強く示唆しており、これまで未開拓であった、ドーピング有機単結晶の性質を、次年度から詳細に探索できる。また、有機半導体単結晶膜において、マクロなミリメーターオーダーの飛程が、電子、ホール両方で観測できたことは、水平交互有機結晶を持つ多層接合有機単結晶太陽電池の実現に、大きく近づいたことを意味する。以上の結果が得られているため、当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

以上の結果を踏まえて、今後、以下の研究を推進する。
正孔に対してバンド伝導を示すルブレン単結晶に、アクセプターとして働く、塩化鉄のドーピングを行い、ホール効果によって、ドーピングによって発生したキャリア濃度、移動度を測定する。シリコンと同等の100%のドーピング効率が、有機単結晶においても可能なことを示すことを目標とする。
また、超高速移動度をもつ有機半導体単結晶膜の水平交互多層膜接合を作製し、キャリアをミリメーターオーダーのマクロスコピックな長距離で水平方向に取り出すことによって、太陽電池として動作させることを試みる。この太陽電池は、これまで有機太陽電池に必須であったバルクヘテロ接合が不要な、新コンセプト有機太陽電池と位置づけることができる。以上の研究を通じて、最終的に、「有機単結晶エレクトロニクス」の基礎を構築することを目指す。

  • Research Products

    (26 results)

All 2018 2017 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 5 results) Book (3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Single Crystal Organic Photovoltaic Cells Using Lateral Electron Transport2017

    • Author(s)
      Mitsuru Kikuchi, Kenichiro Takagi, Hiroyoshi Naito, Masahiro Hiramoto
    • Journal Title

      Organic Electronics

      Volume: 41 Pages: 118~121

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.orgel.2016.12.001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hall effect in bulk-doped organic single crystal2017

    • Author(s)
      Chika Ohashi, Seiichiro Izawa, Yusuke Shinmura, Mitsuru Kikuchi, Seiji Watase, Masanobu Izaki, Hiroyoshi Naito, Masahiro Hiramoto
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 29 Pages: 1605619(6pages)

    • DOI

      10.1002/adma.201605619

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hole-and electron-only transport in ratio-controlled organic co-deposited films observed by impedance spectroscopy2017

    • Author(s)
      Naoto Shintaku, Seiichiro Izawa, Kenichiro Takagi, Hiroyoshi Naito, Masahiro Hiramoto
    • Journal Title

      Organic Electronics

      Volume: 50 Pages: 515~520

    • DOI

      10.1016/j.orgel.2017.08.020

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 不純物ドーピングによる有機太陽電池の開放端電圧の制御2018

    • Author(s)
      新宅直人、伊澤誠一郎、平本昌宏
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 膜中のバンドの曲がりが有機太陽電池の開放端電圧に与える影響2018

    • Author(s)
      伊澤誠一郎、新宅直人、平本昌宏
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Rubrene Single Crystal Photovoltaic Cells Using Lateral Carrier Transport2018

    • Author(s)
      Sureerat Makmuang, Mitsuru Kikuchi, Seiichiro Izawa, Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 表面ドープルブレン単結晶のドーピング効率2018

    • Author(s)
      菊地 満、伊澤誠一郎、平本昌宏
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Effects of Impurity Doping at ppm Level in Photovoltaic Organic Semiconductors2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto (Oral Presentation)
    • Organizer
      E-MRS (Europe Materials Research Society) Spring Meeting 2017,Symposium L (New materials for organic electronics: from synthesis to processing, characterization and device physics)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single Crystal Organic Photovoltaic Cells Using Lateral Electron Transport2017

    • Author(s)
      Mitsuru Kikuchi, Kenichiro Takagi, Hiroyoshi Naito, Masahiro Hiramoto (Poster Presentation)
    • Organizer
      E-MRS (Europe Materials Research Society) Spring Meeting 2017,Symposium L (New materials for organic electronics: from synthesis to processing, characterization and device physics)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Band Gap Science for Organic Solar Cells2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      16th World Nano Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Effects of Impurity Doping at ppm Level in Photovoltaic Organic Semiconductors2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      EMN Bali Meeting 2017, Energy Materials Nanotechnology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Session 402: Metals, Semiconductors, and Junction Device, “pn-Control of Organic Semiconductors and Application to Organic Solar Cells”2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      BIT’s 7th Annual World Congress of Nano Science & Technology-2017 “Welcome to a New Era of Nano-Level”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Hall effect in Bulk-Doped Organic Single Crystals2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      9th Electronic Structure and Processes at Molecular-Based Interfaces (ESPMI 2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Effects of Impurity Doping at ppm Level in Photovoltaic Organic Semiconductors2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      The 27th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-27)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Single Crystal Organic Pyotovoltaic Cells Using Lateral Electron Transport2017

    • Author(s)
      M. Kikuchi, K. Takagi, H. Naito, M. Hiramoto
    • Organizer
      The 27th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-27)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hole- and Electron -only Transport in Ratio-Controlled Oragnic Co-deposited Films Observed by Impedance Spectroscopy2017

    • Author(s)
      N. Shintaku, S. Izawa, K. Takagi, H.Naito, M. Hiramoto
    • Organizer
      The 27th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-27)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hall Effect in Bulk-Doped Organic Single Crystals2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Organizer
      2017 MRS Fall Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高移動度有機単結晶膜を用いたD/A超格子型有機太陽電池2017

    • Author(s)
      菊地 満、Aya Myint Moh, 阿部正宏、貞光雄一、内藤裕義、伊崎昌伸、平本昌宏
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 表面ドーピングしたルブレン単結晶におけるホール効果2017

    • Author(s)
      菊地 満、Rai Nitish, 伊澤誠一郎、平本昌宏
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] インピーダンス分光法によるH2Pc:C60共蒸着膜の正孔・電子輸送の観測2017

    • Author(s)
      新宅直人、伊澤誠一郎、内藤裕義、平本昌宏
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] ドナー/アクセプター界面の結晶性が有機薄膜太陽電池の開放電圧に与える影響2017

    • Author(s)
      伊澤誠一郎、菊地 満、新宅直人、平本昌宏
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 不純物ドーピングが二層型有機太陽電池性能に与える影響2017

    • Author(s)
      新宅直人、伊澤誠一郎、平本昌宏
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Book] ”Organic Solar Cells”2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Total Pages
      100ページ(1239~1338)
    • Publisher
      Eds. S. Kasap, P. Capper, Springer International Publishing AG, Switzerland
    • ISBN
      10.1007/978-3-319-48933-9
  • [Book] Effects of Impurity Doping at ppm Level in Photovoltaic Organic Semiconductors”, The book “Organic Solar Cells: Advances in Research and Applications”2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Total Pages
      50ページ(1~50)
    • Publisher
      Modest Voronov, NOVA Science Publishers, Inc. New York
    • ISBN
      eBook-ISBN: 978-1-53612-412-5
  • [Book] Energetic and Nanostructural Design of Small-Molecular-Type Organic Solar Cells”, The book “Advances in Chemical Physics2017

    • Author(s)
      Masahiro Hiramoto
    • Total Pages
      68ページ(137~204)
    • Publisher
      Stuart A. Rice, Aaron R. Dinner, John Wiley & Sons
  • [Remarks] 分子科学研究所・平本研究室のホームページ

    • URL

      https://groups.ims.ac.jp/organization/hiramoto_g/

URL: 

Published: 2019-12-27  

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