2015 Fiscal Year Annual Research Report
有機薄膜太陽電池のナノスケール・モルフォロジーによる高効率化
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24750012
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤井 幹也 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20582688)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 電子状態計算 / 電荷移動反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池は今後も高変換効率化が必要とされているものの，創電原理の詳細が明らかになっておらず，新しい材料分子を設計するための指導原理も明確ではなかった．一般に電子アクセプターのHOMOや電子ドナーのLUMOといった個々の分子の分子軌道のエネルギー値が創電原理を理解するに重要であり，材料設計の指針にもなるとは考えられていたが，これらでは説明できないことが多く動作原理や指導原理と認めるには不十分であった．
本研究は有機薄膜太陽電池の動作原理を明らかにすること，そして高効率化に向けて材料分子になりえる指針をより具体的に得ることを目的とした．特に，電子ドナー分子と電子アクセプター分子の複合系に対して電子状態計算および反応動力学計算を用いて，創電に重要と考えられている分子界面における電荷移動反応を重点的に研究した．その結果，電荷移動反応の効率は，分子軌道のエネルギーに変化がなくとも，電子ドナー分子と電子アクセプター分子同士の配向が変わると非常に大きく変化することを明らかにし，変換効率の向上には分子界面のナノスケールでのモルフォロジーを適切に調整せねばならないことがわかった．一方，電荷移動反応の開始因子である光吸収に着目すると，比較的高い短絡電流密度および高い効率を示す有機薄膜太陽電池では光吸収と同時に電荷がアクセプター分子に移動し得ることがわかった．これはドナー分子とアクセプター分子の両者に非占有軌道が非局在化しているために生じる界面電荷移動型光励起が本質であり，付随する光誘起双極子が短絡電流を高密度化する指針であると示した．
以上のように，本研究では電子ドナー分子と電子アクセプター分子の界面において発現する構造的要因および電子的要因の双方が高効率化に重要であることを明らかにした．
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