2014 Fiscal Year Research-status Report
複合プラズモニック構造による光トラッピングと有機太陽電池への導入
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25390051
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
馬場 暁 新潟大学, 研究推進機構超域学術院, 准教授 (80452077)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / 有機太陽電池 / 金属格子 / 金属微粒子 / ナノインプリンティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、金属薄膜格子/有機薄膜-金属微粒子界面において、入射光を伝播型・局在型のプラズモンとして電界を増強してナノ領域に閉じ込める光トラッピングに関する基礎的な研究を行った上で、この系を導入した有機太陽電池を作製してデバイス特性の向上に向けた研究を行うことを目的とした。
この目的を達成するために、今年度はナノインプリント法による、有機薄膜層へのナノピラー構造の作製を行い、これを有機薄膜太陽電池に組み込むことで効率向上の検討を行った。この結果、ナノピラー形状は、ナノインプリンティング時の温度、圧力に大きく依存することを見出し、有機薄膜太陽電池に組み込むための最適条件を検討した。
次に、ウニ型金微粒子を組み込んだ有機薄膜太陽電池の検討を行った。通常の球状金微粒子に比較してウニ型金微粒子はナノピラー構造を球状金微粒子上に有するため、局所電界の大きな増強が得られ、有機薄膜太陽電池へ応用することで大きな特性向上が期待される。ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM//Al構造有機薄膜太陽電池の各層にウニ型金微粒子を堆積して光照射時のI-V特性を測定した結果、PEDOT:PSS中に分散させて堆積した場合に一番効率が向上することが分かった。
また、表面プラズモン共鳴励起が有機薄膜太陽電池に及ぼす効果を詳細に検討するために、１次元グレーティング構造を有する有機薄膜太陽電池を作製し、偏光方向を変化させることで表面プラズモン励起波長を変化させ、各波長における効率向上特性や、散乱光の影響による効率向上との違いについて基礎的な研究も行った。
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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
上述の目的を達成するために、平成26年度は主に次の３項目を研究実施計画として進めた。
（１）ナノインプリント法を用いたナノピラー構造作製よる有機薄膜太陽電池の高効率化
（２）ウニ型金微粒子を組み込んだ有機薄膜太陽電池の作製と検討
（３）ナノインプリント法を用いた微細構造を利用した有機薄膜太陽電池の作製とプラズモン励起が高効率化に及ぼす影響の検討
今年度は実施計画に沿って、ナノピラー構造をナノインプリント法により作製して表面プラズモン共鳴特性の検討、有機薄膜太陽電池組み込んだ場合の効率向上に関する検討を行った。さらにウニ型金微粒子を堆積して、局在プラズモン増強有機薄膜太陽電池を作製して評価・検討を行った。この結果、両方の場合において有機薄膜太陽電池の効率を向上させることに成功した。さらに１次元グレーティング構造を有する有機薄膜太陽電池を作製し、表面プラズモン共鳴励起が及ぼす有機薄膜太陽電池への高効率化への影響を詳細に検討した結果、散乱光による効率向上と表面プラズモン励起による影響の違いに関する知見が得られた。また、表面プラズモン励起が実際に高効率化に寄与することについて波長毎のデータも得られた。
以上のように、目的・計画の（１）－（３）を実施して成果が得られており、概ね当初の計画通り達成できた。これまでの結果は、２６年度に４編国際論文誌に掲載されており、さらに現在２編投稿準備中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度はこれまでに得られた研究をさらにすすめ、計画通り金属微粒子をナノ金属電極上に集積した有機薄膜太陽電池の作製を行い、広波長域複合プラズモン励起薄膜の検討や超吸収構造有機太陽電池の作製・評価を行う。また、異なる局在プラズモン吸収波長を持つ金属微粒子のデバイスへの導入による光吸収現象の評価・検討を行う。同時に、局在プラズモン、伝播型プラズモンが有機太陽電池の高効率化に及ぼす影響について詳細に調べることで、デバイス設計指針のための知見を得る。FDTD電界計算の結果もフィードバックして検討も行い、伝播型表面プラズモン励起と局在プラズモンの相互作用について詳しく調べる。これらの複合化プラズモニック構造の光電変換特性を調べ最適化構造を見つけ出し、高効率有機太陽電池の開発に結び付ける。
また、得られた成果は国内・国外の学会で報告を行うことにより公表し、国際論文誌での誌上発表も積極的に行う。
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| Causes of Carryover |
本年度は、ナノ構造作製用のテンプレート基板や種々試薬など消耗品に経費がかかり、備品を購入しなかったこともあり、結果として残額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２７年度は概ね当初の計画通りに研究費を使用する。消耗品としては、種々の構造の有機薄膜、格子構造、透明電極を作製するために必要な物を挙げている。基板洗浄用の有機溶媒やポリチオフェン・フラーレンなどの有機分子、薄膜表面評価のためのAFM測定用のカンチレバーなどに使用する。さらに格子基板形状の最適化のための種々格子基板等を購入し実験を進める。また旅費としては、情報収集や得られた成果の発表を行うために、応用物理学会、電気学会、さらに有機エレクトロニクスに関する国際会議に参加する。他には、実験補助としての謝金や、その他学会参加費、論文投稿料などとしても研究費の使用を行う。
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