無機量子ドットと有機一重項分裂材料を複合した塗布型太陽電池の創成

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03103
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 夫 勇進 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (00350489)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 量子ドット / 一重項分裂 / 太陽電池

Outline of Annual Research Achievements

多くの有機一重項分裂(SF)材料では、生成した(2倍の)三重項励起子は一重項励起子の半分のエネルギーになるため、LUMO準位の浅いC60誘導体とでは電荷分離が困難であった。2倍に増えた三重項励起子を電流としていかに外部回路に取り出すかは、極めて重要な課題である。無機量子ドット(QD)は、サイズ制御によりエネルギーギャップの調整が容易であり、様々な有機SF材料に合わせたエネルギー準位の整合、三重項励起子捕集が可能である。また、無機材料の特徴(高誘電率)を活かした高効率な電荷分離が可能である。無機QD自身も多重励起子生成(MEG)をするため、有機SF材料との組み合わせにより広範囲の紫外可視吸収帯でのMEGが可能である。無機QDとSF性有機半導体を組み合わせた、ハイブリッド型太陽電池の塗布プロセスによる作製とその超高効率化を目的とする。
無機QD材料をして硫化鉛(PbS)QDを選択した。段階的に粒径を変化させ、0.5 eVから1.5 eV程度までエネルギーギャップ(Eg)を有するPbS QDの合成に成功した。オレイン酸を有機配位子に用いるため、合成時の前駆体としてPb オレイン酸塩の形成が必要である。原料に酸化鉛(PbO)を用いた場合と塩化鉛(PbCl2)を用いた場合を比較検討した。PbCl2を用いた場合では、合成したPbS QDの安定性が高く、高い発光特性を得る事が出来た。QD表面に配位しているClアニオン種が安定化に寄与していると考えられている。しかし、PbCl2は合成時に用いるオレイルアミン溶媒に非常に溶けにくく合成が難しかったが、PbCl2およびオレイルアミンを十分に精製する事で溶解性の改善を見いだし、再現性高いPbS QDの合成を実現した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

無機PbS量子ドットの合成実験 ・粒径解析の結果、粒径制御条件に予期しなかったばらつきが見られ、再現性が取れなかった。再現性高い条件決定のために、詳細な検討が必要となり合成期間の延長が生じた。また配位子交換において量子ドット表面での欠陥の生成 が明らかになったため、研究方式を見直し欠陥生成のない配位子交換の条件を詳細に検討した。

Strategy for Future Research Activity

開放端電圧(VOC)の向上を狙い、高いS1、T1を有するワイドギャップ有機SF材料を合成する。既存有機SF材料の中ではテトラセンのT1 1.25 eVが最も高く、それ以上の値を目標にする。ジケトピロロピロール、イソインディゴは、量子化学計算によりS1 > 2 T1を満たすT1準位を有し、SF材料の中心骨格として期待できる。蒸着性、成膜性を考慮し周辺置換基を設計し、系統的に誘導体を合成する。