2014 Fiscal Year Annual Research Report
高移動度液晶性半導体を用いた塗布型低分子バルクヘテロ接合有機太陽電池の開発
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24246009
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
尾崎 雅則 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50204186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 彰彦 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80304020)
吉田 浩之 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80550045)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2016-03-31
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 有機半導体 / 液晶 / フタロシアニン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液晶性半導体材料C6PcH2の類縁体C6TBTAPH2とその同族列体の合成における収率改善と反応のスケールアップの手法を確立すると共に、薄膜中における結晶構造について明らかにした。また、電子物性評価から電子状態を、熱物性評価から相系列を明らかにした。従来のTOF法に加え、photo-CELIV法を導入し、スピンコート膜等の薄膜におけるキャリヤ移動度の評価に成功した。シミュレーション結果より、液晶相、結晶相におけるホール移動度の再現に成功し、カラム中の隣接分子間のトランスファー積分の分散幅との相関性を明らかにした。さらに、C6TBTAPH2とその同族列体を用いたバルクへテロ接合を検討した。C6TBTAPH2系はC6PcH2と類似の電子状態をとるが、QバンドとBバンドの吸収バランスがとれ、添加剤の導入によりキャリヤ輸送に適切な結晶形に変化する結果が示唆され、さらに励起子拡散長に相当する結晶子が形成することから、5.3％の高い光電変換効率を示した。また、C6TBTAPH2以外の類縁体の導入効果、有機系陰極バッファ層導入効果、高分子ドナー添加による特性改善について明らかにした。今後、C6PcH2とC6TBTAPH2の混和性を制御した混合液晶性半導体を活性層ドナー材料としての導入し、アクセプタ材料との共連結ネットワーク構造の構築をさらに検討する。また、液晶性を生かした新規デバイス構造の確立やタンデム構造を検討し、太陽電池のさらなる高効率化を目指す。
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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
本研究の当初研究実施計画、すなわち、（Ａ）液晶性を有する高移動度材料の配列構造および伝導機構の解明、（Ｂ）多成分液晶の混和性と相分離特性を活用した物性制御と新規機能探索、（Ｃ）フタロシアニンベースバルクヘテロ構造の構築と最適化の三つの項目のうち、（Ｂ）に関しては、昨年度概ね目標を達成していることから、今年度は（Ａ）と（Ｃ）に注力した。
（Ａ）に関しては、特に、Spring-8における実験結果の解析を進め、太陽電池素子と同様の膜状態での分子、カラム配列状態の解析に成功した。また、分子動力学計算とDFT計算を併用することにより、分子パッキング状態と移動度の関係について成果が出始めており、今後の進展に繋がるものと考えられる。
（C）に関しては、フタロシアニンの骨格内の一部の窒素を炭素に置き換えたTBTAPを用いることにより、5.33%のこれまでの最高のエネルギー変換効率を達成した意義は大きい。また、新規素子構造として、ガラスサンドイッチ構造の作製条件の探索を行い、ダイオード特性、太陽電池特性を確認して、来年度の厚膜素子への展開に繋げる成果が得られた。さらに、タンデム素子構造もFFがまだ低いものの、太陽電池特性が得られており、今後の中間電極層の最適化などの課題を洗い出すこともできた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度も上記成果に立脚して、（Ａ）高移動度材料の配列構造と伝導機構の関係を明らかにするとともに、（Ｃ）太陽電池構造の最適化とさらに高い変換効率の実現を目指す。
（Ａ）では、特に、異なる骨格構造を有する材料での高移動度の実現と、伝導機構の解明を目指す。また、ＭＤ，ＤＦＴ計算により、フラーレンへの電荷移動の詳細を明らかにして、高効率デバイス実現のための素子設計にフィードバックを図る。
（Ｃ）においては、最高の変換効率を出したTBTAPをベースにして、バッファー層と添加材の最適化を図り、さらなる効率の改善を目指す。また、サンドイッチ素子内の分子の配列を制御し、厚膜化による効率改善を目指す。
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