2020 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。そこで新たな高結晶性の色素分子のねじれ型二量体を開発し、混合型の有機太陽電池を作製した。その結果、標準太陽光照射条件下で光電変換効率4.48％、また低照度の条件では変換効率7.31％を達成することができた。
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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
まず高移動度のドナー・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。さらに混合デバイスでも高結晶性の分子を導入するために、新たなねじれ構造の色素分子二量体を開発した。この分子を用いた太陽電池では、低照度条件で光電変換効率7％以上と高い値を示すことができた。この新たなねじれ構造の色素分子二量体は、高結晶性の有機半導体色素を開発していく上でのプラットホームとなる。これらの研究成果は、既に学術誌で掲載されたもの、もしくは投稿準備中である。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。さらに混合デバイスでも高結晶性分子を用いるために、新たなねじれ構造の色素分子二量体を開発した。今後はD/A界面の高結晶化、エネルギー構造制御、さらにはその他の性質である高効率電子輸送等も兼ね備えた分子を開発する。その結果、混合デバイス中において、有機太陽電池のさらなる効率向上を目指す。
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