2019 Fiscal Year Research-status Report
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18K14115
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
伊澤 誠一郎 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 助教 (60779809)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機太陽電池 / 界面 / 移動度 / 電荷分離 / 電荷再結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池は、低製造コスト、柔軟性などの多くの利点から、将来のエネルギー変換デバイスとして近年大きな注目を集めている。電子ドナー（D）である半導体高分子と、電子アクセプター（A）であるフラーレン誘導体を薄膜中で混合したデバイス構造が広く用いられ、その界面で励起子が電荷に分離されることで発電する。これまで主に半導体高分子材料の開発によりその光電変換効率は向上してきたが、未だ単結晶SiやGaAsなどの無機太陽電池には及ばない。光電変換効率を制限する最大の原因として、D/A界面で起こる電荷分離・再結合過程に関連したエネルギーロスが存在し、出力電圧を大きく失うことが挙げられる。しかし、この制限がどのような機構で決まっているかは明らかでなく、そのためのD/A界面構造と電荷移動挙動の相関の精密な解析も行われていなかった。
そこで本研究では超高移動度分子を用いて界面構造を制御することで、そのナノ構造と光電変換素過程との関連を明らかにすること、また有機薄膜太陽電池のデバイス性能の向上を目指して研究を行っている。今回、高移動度、かつ高結晶性のD・A材料を用いて、電荷再結合を抑制した。分子構造からD/A界面近傍の結晶性を変化させたところ、界面近傍の結晶性が高い太陽電池において、非常に小さな開放電圧のエネルギーロスを実現した。
さらにデバイス構造を界面構造制御に適した二層型構造から、より実用的なデバイス構造である混合デバイスでのエネルギー損失の削減にも着手した。そこで色素分子のエネルギーレベルを精密に制御することで、再結合中間体からの発光効率の向上に成功し、結果的に混合デバイスにおいてもエネルギー損失の減少に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今回、高移動度のドナー・アクセプター材料を用いることで、有機太陽電池中での電荷再結合を抑制し、結果的に開放電圧のエネルギーロスを抑制した。これは高移動度材料のもつ、電荷の非局在化、高い結晶性、低いトラップ密度という特異な性質が、有機太陽電池の再結合抑制に有効であることを示した。これは有機太陽電池をさらに高効率化させるための分子デザイン指針を示す重要な成果である。加えて、デバイス構造を界面構造制御に適した二層型構造から、より実用的なデバイス構造である混合デバイスでのエネルギー損失の削減にも着手した。そこで色素分子のエネルギーレベルを精密に制御することで、再結合中間体からの発光効率の向上に成功し、結果的に混合デバイスにおいてもエネルギー損失の減少に成功した。これは有機半導体分子の設計の点で、上記の高結晶性などの性質だけでなく、エネルギーレベルを精密に制御することもエネルギー損失抑制のために重要であることを示したとともに、より実用性の高いデバイス構造での結果という意義がある。これらの研究成果は、既に学術誌で掲載された。このように本研究は期待以上の成果が得られており、さらに今後の研究の進展が大いに期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究結果で、デバイス性能向上のためには高移動度材料を用いてD/A界面近傍の結晶性を向上させることが重要であるとわかった。さらにより実用的なデバイス構造である混合デバイスでの研究にも着手し、色素分子のエネルギーレベルの精密制御によるエネルギー損失の低減という成果が得られた。今後は混合デバイス中において、最初の成果であるD/A界面の高結晶化を実現することを目指したい。新たに界面での結晶性を向上できる分子を設計し、混合デバイス中で用いることで、有機太陽電池のさらなる効率向上を目指す。
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| Causes of Carryover |
購入予定だった試薬を次年度の研究で代わりに購入する必要が生まれたため。
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