2013 Fiscal Year Research-status Report
微小サイズ有機半導体ナノ結晶の作製法確立とその薄膜化による有機薄膜太陽電池の創成
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25390026
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
増原 陽人 山形大学, 理工学研究科, 准教授 (30375167)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ナノ結晶 / 再沈法 / サイズ制御 / 攪拌 / 粘度 |
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| Research Abstract |
我々のグループでは、再沈法をベースとした有機半導体ナノ結晶の作製を実施してきた。再沈法では、これまで経験則のみで作製条件を決め、ナノ結晶を作製してきたため、未だサイズ等への影響因子やナノ結晶形成過程が完全に解明できていない。そこで、今後より迅速な再沈条件の確立を行う上で必須となる影響因子・ナノ結晶形成過程の解明を目指した。本年度は、ナノ結晶化対象化合物として有機薄膜太陽電池で多用され、移動度・変換効率等の基礎知見も多いフラーレン(C60: n型有機半導体)を用い、まずは攪拌速度、次に濃度・溶解度・粘度に着目し、微小サイズナノ結晶(サイズ; 20 nm 以下)の作製条件確立を行った。攪拌速度では、再沈法における貧溶媒の詳細な攪拌速度制御を従来のスターラーチップによる攪拌から、ラモンドスターラー及び超音波振動装置を用いた系全体の均一・一定攪拌に努め、詳細なナノ結晶作製条件を検討した。ラモンドスターラーを導入した場合、攪拌速度増大に伴い作製できるナノ結晶サイズも増大し、超音波攪拌を導入した場合、照射エネルギーの増大に伴いナノ結晶サイズは減少したが、サイズの単分散性（均一性）は失われた。これら結果は、液滴サイズがナノ結晶サイズ制御に大きく影響することを意味する。そこで、良溶媒を1,2,4-trichlorobenzene, o-dichlorobenzene等の8種類、貧溶媒に作製後のナノ結晶分散安定性を考慮し、acetonitrileを選択してナノ結晶作製を実施し、溶媒の粘度が増大するとナノ結晶サイズが微小化するといった関係を明らかにした。これにより、再沈法において良溶媒の粘度が一つのサイズ制御因子になりうることを新たに明らかにした。
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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
再沈法におけるナノ結晶サイズ制御因子として、攪拌速度、濃度、溶解度、粘度の各項目に関して詳細に検討を行った。これら4つの因子に対し、特にサイズに影響を及ぼす因子は濃度であった。さらに攪拌速度に関して、再沈後の液滴サイズを如何に微小化させ、その状態を保持することができるかがカギとなることも分かってきた。これら実験結果から、液滴サイズが作製できるナノ結晶サイズに影響を及ぼすことが明らかになった為、良溶媒の粘度を制御することで、ナノ結晶サイズを制御できるのではと考え、実験を行った。結果として、良溶媒の粘度が高くなるとナノ結晶サイズが減少し、さらに、粘度1.7 mPa・s以上の領域では、ナノ結晶同士の癒着が激しく、数 μmの極大な結晶を50~100 nm程度の無数のナノ結晶で構成していることも確認できた。これら実験事実より、ナノ結晶形成時に粘度が粒子サイズを決定する大きな要因の一つとなることを明らかにした。ナノ結晶のサイズ制御に関する課題として、溶解度、粘度とナノ結晶サイズの関係を明確にすることである。
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| Strategy for Future Research Activity |
より詳細なナノ結晶サイズ制御のため、Flow 3D等を用いた溶媒の攪拌・混合過程のシミュレーションを実施し、種々の条件で得られる実際のナノ結晶サイズとシミュレーション結果を相互検討する。さらに用いる良溶媒においても主骨格が同一で置換基数のみを変えた溶媒（例えばmono, di, tri, tetra-chloroethylene）等を用いて、ナノ結晶化対象化合物の溶解度は一定のまま、粘度のみを制御することにより詳細なナノ結晶サイズと良溶媒粘度の関係を継続して明らかにしていく。これら実験結果を基にナノ結晶形成過程を理論と実験の両面から比較検討し、微小なサイズで得られる有機半 導体ナノ結晶作製条件を確立する。またH26年度では、ナノ結晶薄膜の膜厚制御技術の確立を行う。液-液界面集積法及び電気泳動デポジション法を用いて微小サイズナノ結晶の薄膜作製条件を検討する。液-液界面集積法では、先行実験により分散安定剤や表面エネルギーの異なる溶媒の添加により界面におけるナノ結晶の吸着エネルギーの制御が可能である。 これを利用し、ナノ結晶を効率良く密に基板上へ単粒子薄膜として転写できる条件の検討を行う。
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