2021 Fiscal Year Annual Research Report
Organic solar cells with high mobility materials
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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。
さらに本年度には、再結合損失の要因となる発光再結合の過程を太陽電池の動作中に同時に観測した。その結果、有機太陽電池の効率を決定している損失プロセスは、無輻射再結合であることを明らかにし、その無輻射再結合が存在しない時の理想的な有機太陽電池の性能を明らかにすることができた。
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