2018 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of chemical states, electronic states, and orientation of aromatic organic molecules containing nitrogen adsorbed on gold single crystal
| Project/Area Number |
17K05067
|
|---|
| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
|---|
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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| 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 / core-hole clock分光 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池など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、有機デバイスにおいて有機分子と電極の間にバソクプロイン（Bathocuproine, BCP）など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デバイスの特性が向上することが報告されている[P. Peuman et al., Appl. Phys. Lett. 76, 2650 (2000)]。しかしデバイスの特性が向上する理由はほとんどわかっていない。そこで本年度は、フラーレン（C60）と銀（Ag）負極の間に緩衝層としてBCP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、core-hole clock分光を用いて測定した結果を解析した。core-hole clock分光データから求めたBCPのLUMO+n（n=3と推測）準位からAg負極への電荷移動時間は2.5 fsであった。本結果は、アクセプター有機分子（本研究ではC60）の光吸収によって生じた励起子の分離で生じた電子が窒素を含有する芳香族有機分子（本研究ではBCP）を経由して負極（本研究ではAg）へ超高速電荷移動することが有機太陽電池の変換効率を改善していることを示唆する。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。本研究成果は、The Pacific Rim Symposium on Surfaces, Coatings and Interfaces (Waikoloa, Dec. 4, 2018)、2018年度量子ビームサイエンスフェスタ（つくば国際会議場、2019年3月12日）にてポスター発表した。また、金属電極に関連する研究として無酸素パラジウム/チタンの論文を3報報告した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までの研究により、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の電子状態の測定データを解析した。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。core-hole clock分光測定データを解析した結果、C1s内からBCPのLUMO+n（n=3と推測）準位に励起した電子がAg基板へ移動する時間は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。本研究の目的の一端が実現できており、国内外で学会発表を行っていること、金属電極に関連する研究として無酸素パラジウム/チタンの論文を3報報告していることから本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した。
|
| 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点について行うことを検討している。１）については、現在までBCP のLUMO+n（n=3と推測）準位から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LUMO、LUMO+1、LUMO+2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、core-hole clock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。
|
| Causes of Carryover |
今年度の旅費と謝金が想定より増加した一方で、今年度の予算に計上していた金(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などの物品費の執行を来年度に繰り越したことから、次年度使用額（608,832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。
|
