2017 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of chemical states, electronic states, and orientation of aromatic organic molecules containing nitrogen adsorbed on gold single crystal
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17K05067
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
間瀬 一彦 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (40241244)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 窒素含有芳香族有機分子 / バソクプロイン / フラーレン / 内殻光電子分光 / 紫外光電子分光 / X線吸収端微細構造 / 共鳴光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、ペロブスカイト単結晶X線検出器などの有機材料を用いたデバイスは、薄い、軽い、柔軟、製造コストが低いといった特性をもつため、実用化が期待されている。過去の研究で、有機薄膜太陽電池において有機分子とAg電極の間にバソクプロイン（Bathocuproine, BCP）という窒素を含有する芳香族有機分子を緩衝層として挿入すると変換効率が向上したことが報告された[P. Peuman et al., Appl. Phys. Lett. 76, 2650 (2000)]。近年ではペロブスカイト太陽電池、ペロブスカイト単結晶X線検出器などにおいても有機分子と電極の間に窒素を含有する芳香族有機分子が緩衝層として用いられ、デバイスの特性の向上に寄与している[H. Zhou et al., Science 345, 542 (2014)]、[H. Wei et al., Nat. Photonics. 10, 333 (2016)]。しかしBCPなどの窒素を含有する芳香族有機分子を緩衝層に用いることがデバイスの特性を向上させる理由についてはほとんど明らかにされていない。そこで本研究では、この理由を解明するために、有機分子と電極の間に緩衝層として窒素を含有する芳香族有機分子を挿入した場合の電子的相互作用を、放射光を用いた内殻光電子分光、紫外光電子分光、X線吸収端微細構造測定、共鳴光電子分光を用いて検証した。今回は、緩衝層としてよく用いられるBCPを選定し、有機材料としてフラーレン（C60）、負極の電極としてAgを選定した。結果として、BCPを緩衝層として挿入することでC60からAgへの電子の移動の高速化につながり、有機薄膜太陽電池の変換効率の向上の要因の一つであることが示唆された。この成果は、様々な有機デバイスの特性の向上にも貢献すると考えられる。
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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
平成29年度は、Ag基板上に吸着した単層のBCPの電子状態の測定、さらにその上に単層から多層吸着させたC60の電子状態の測定を行った。Agは有機薄膜太陽電池の代表的な負極、BCPは有機デバイスの緩衝層としてよく使われている窒素含有芳香族有機分子、C60は有機薄膜太陽電池の代表的なn型半導体材料である。紫外光電子分光法、内殻光電子分光法、X線吸収端微細構造測定を用いてBCPとC60の最高占有準位（HOMO）、伝導準位、最低非占有準位（LUMO）を決定し、エネルギー準位接続を評価した。また、共鳴光電子分光法を用いてBCPの非占有準位に励起したC1s内殻電子がAg基板へ移動する時間を求めた。これらの結果、BCPのLUMO+1からAg基板への電荷移動時間は2.5fsであることがわかった。有機分子から基板への電荷移動時間については、60fsより小さいと高速な電荷移動とされる基準があるので、2.5fsはかなり高速な電荷移動時間である。一方、他の研究ではC60からAg基板への電荷移動時間は高速ではないと報告されている[A. J. Gibson et al., Surf. Sci. 657, 69 (2017)]。C60からBCPへの電荷移動時間についても現在解析と結果の検討中であり、予備的な解析から60fs未満であると見積もっている。有機薄膜太陽電池においては、光が照射されたp型半導体で生成される励起子がn型半導体との界面で正孔と電子に分離し、正孔は正極に捕集され、励起した電子はn型半導体を介して負極に捕集されるという一連の過程で光電変換が起きる。BCPを挿入しない場合はC60からAg基板への電子移動は遅いが、BCPを挿入した場合はC60からBCP、BCPからAg基板へと高速な電子の移動が生じることが、有機薄膜太陽電池の変換効率向上の要因の一つであることが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として、１）現在までに取得した結果の更なる解析と考察、２）Au基板上に吸着した単層のBCPの電子状態の測定、の2点について行う。１）については、現在までBCPからAg基板への電荷移動時間、C60からBCPへの電荷移動時間を予備的に求めているが、今後はより詳細な解析を行い、結果の考察を行う。電荷移動時間は、X線吸収端微細構造測定、共鳴光電子分光法によって得られたスペクトルからLUMO+1、LUMO+2、…に対応するそれぞれのピークの強度を算出することで求められる。現在はLUMO+1に対応する電荷移動時間しか求めていないので、LUMO+2以降についても解析する。また、BCPやC60の分子軌道計算を行い、LUMO、LUMO+1、LUMO+2、…の軌道を明らかにし、電荷移動時間と比較して結果の妥当性や軌道が電荷移動時間へ与える影響を考察する。２）については、Au基板上に吸着した単層のBCPの電子状態をこれまでと同様に検証する。Au基板はペロブスカイト太陽電池、ペロブスカイト単結晶X線検出器の代表的な電極であるが、BCPを吸着させて電子状態を調べた研究例はほとんどない。具体的には、紫外光電子分光法、内殻光電子分光法、X線吸収端微細構造測定を用いてHOMO、伝導準位、LUMOを決定し、エネルギー準位接続を評価し、共鳴光電子分光法を用いてBCPの非占有準位に励起したC1s内殻電子がAu基板へ移動する時間を求める。さらに、X線吸収端微細構造測定、低速電子回折を用いてBCPの配向、秩序構造も調べ、構造的な観点からも検証する。また、これまでに行ったAg基板とBCPについての結果と今後測定を行うAu基板とBCPについての結果を比較し、基板の金属の種類がBCPとの相互作用にどのような影響を与えるか考察する。これらの結果をもとに有機デバイスの変換効率向上への指針を得る。
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| Causes of Carryover |
今年度の予算に計上していた金(111)単結晶（30万円）、光電子分光装置保守部品（30万円）、真空部品（30万円）、マイクロチャネルプレート（14万円）の執行を来年度に繰り越したこと、一方で今年度の旅費と謝金が想定より増加したことから、次年度使用額（927,988円）が生じた。この次年度使用額はAu基板上に吸着した単層のBCPの電子状態の研究に必要となる金(111)単結晶、光電子分光装置保守部品、真空部品、マイクロチャネルプレートに使用する計画である。
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