2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of low bandgap n-type semiconductors based on A2-D-A1-D-A2 type molecular structure
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19K15650
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
森 裕樹 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 助教 (20723414)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / n型半導体 / 有機半導体 / π共役系分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代太陽電池とされる有機薄膜太陽電池（OPV）の実用化に向けて、非フラーレン型有機薄膜太陽電池の高効率化を達成するためには、より高性能なn型半導体を開発することが極めて重要な課題である。本研究では、研究代表者が独自に開発してきた(E)-1,2-ビス(5,6-ジフルオロベンゾ[c][1,2,5]チアジアゾール-4-イル)エテン（FBTzE）を中心アクセプター骨格（A1）とし、末端の異なるアクセプター（A2）骨格をドナー骨格（D）で連結した高結晶性の新規A2-D-A1-D-A2型n型半導体の開発をおこなった。
まず、既に合成法を確立しているFBTzE骨格を出発原料とし、脱水素型カップリング、クロスカップリング、続くVilsmeier-Haackホルミル化によって前駆体を合成した。最後にKnoevenagel縮合により、目的のFBTzE骨格を主骨格とするA2-D-A1-D-A2型n型半導体の一つであるFBTzE4T-IC-EHの合成に成功した。当初の予定通り、4本の可溶性側鎖には2-エチルヘキシル（EH）基を導入したものの、強い分子間相互作用により、予想以上に溶解性が低く、諸物性の解析が困難であった。そこで2種のより長い可溶性側鎖を導入したところ、2-オクチルドデシル基を導入したFBTzE-IC-ODにおいて、熱クロロホルムなどに可溶なn型半導体を合成することに成功した。
合成に成功したFBTzE-IC-ODの紫外－可視吸収スペクトルを測定したところ、700 nm付近に強い吸収を有しており、約1.6 eV程度のエネルギーギャップを有していた。これは、代表的なn型半導体として知られるITICと同様の性質であった。また、X線回折により薄膜の構造を調査したところ、極めて高い結晶性を有していたものの、太陽電池には不利とされるエッジオン配向を形成することが分かった。
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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
当初の予定とは異なり、目的のn型半導体であるFBTzE4T-IC-EHの溶解性が予想以上に低かったため、より長い可溶性側鎖の導入が必要であったが、本研究の鍵となる目的化合物を効率よく合成可能な手法を問題なく確立できたため、今後様々な誘導体が容易に合成できる状況となった。また、目的化合物の溶解性と結晶性を調査できたことから、今後どのようにして分子を最適化し、優れた材料を開発していくかの指針が明確となった。目的のn型半導体は十分なサンプル量を合成できており、太陽電池へと組み合わせる既存のp型半導体はすでに確保していることのほか、太陽電池を作製する環境は整っていることから、合成したn型半導体を太陽電池へスムーズに応用することが可能である。そのため、現在までの研究はおおむね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、合成に成功した新規n型半導体のエネルギーレベルや熱安定性などの基礎物理化学特性の調査をおこなう。その後、既存のp型半導体と組み合わせた太陽電池へと応用し、その特性を評価する。また、実際の太陽電池素子を用いて、p型およびn型半導体を混合した状態での薄膜構造を調査し、太陽電池特性と薄膜構造との相関を明らかとする。得られた構造－特性相関を基に分子設計のフィードバックを行い、さらなる特性の改善を目指す。
具体的には、現段階で目的のn型半導体は当初の目的の通り極めて高い結晶性を有するものの、太陽電池に不利なエッジオン配向を形成することが明らかとなっている。そのため、高性能材料の開発にはこの分子配向を太陽電池に有利とされるフェイスオン配向へと変化させる必要がある。エッジオン配向を形成する要因としては、非常に長鎖かつかさ高いアルキル差を4本も導入しているにもかかわらず、極めて強い分子間相互作用を持つためと考えている。そのため、中心骨格にさらに可溶性側鎖を導入する、または分子構造を現在の直性構造から湾曲構造へと変化させることで分子間相互作用を減少し、フェイスオン配向の形成を目指す。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルスの関係により、2020年3月に開催される予定であった第67回応用物理学会春季学術講演会が中止となり、その旅費が使用できなくなったため。
次年度では、化合物の合成に必要な薬品や消耗品のほか、当初予定していなかった学会への参加やSPring-8への出張に対する旅費として使用する予定である。
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Research Products
(1 results)
