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新規有機薄膜表面修飾手法の開発とドナーアクセプター界面での電荷移動挙動の解析

研究課題

研究課題/領域番号 14J04944
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 機能物性化学
研究機関国立研究開発法人理化学研究所 (2015)
東京大学 (2014)

研究代表者

伊澤 誠一郎  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 300千円)
2015年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2014年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワード電荷分離 / 電荷再結合 / ドナーアクセプター界面 / 有機薄膜太陽電池 / 有機半導体 / 表面修飾 / 界面構造 / エネルギー準位 / フッ素化アルキル基
研究実績の概要

有機薄膜太陽電池はドナー/アクセプター(D/A)の二種類の半導体材料を接合して作成されるが、発電過程の重要なプロセスがその界面で起こるため、D/A界面の構造が太陽電池性能に大きな影響を与える。そこで申請者は光電変換プロセスを高効率化するための理想的な界面構造の構築することを目指している。
その目的の下で、一年目には新規有機半導体薄膜表面の修飾手法の開発を行い、その手法を用いて界面のナノ構造と有機薄膜太陽電池の電荷移動挙動の相関を調べた。界面のエネルギー構造をトラップ構造、カスケード構造と制御し太陽電池性能を測定した結果、界面第一層のエネルギー構造は光電変換過程に支配的な影響を与えることがわかった。さらにカスケード構造という電荷再結合を抑制し、電荷分離を促進できる光電変換にとって理想的な構造を見出すことができた。本年度はさらに、LUMOレベルの異なる4種類のドナーポリマーを用いることで、そのエネルギーレベルが光電変換過程に与える影響について研究を行った。
太陽電池性能を測定した結果、ドナーポリマーのLUMOレベルによらず、カスケード構造においてCT状態が不安定化され、一分子再結合が抑制されることで、VOC、FFが向上した。逆にトラップ構造においてはCT状態が安定化され、一分子再結合が促進されたことで、VOC、FFが低下した。カスケード構造においてドナーポリマーのLUMOが深くなることでJSCが低下した。原因としては、アクセプターとのエネルギー差が小さくなることで励起子乖離効率が低下したためであると考えられる。これらのことから、光電変換過程全体を向上させるためには、カスケード構造において、LUMOのエネルギー差を適切に制御することが重要であることがわかった。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2016 2015 2014

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 謝辞記載あり 5件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Interface-induced Crystallization and Nanostructure Formation of [6,6]-Phenyl-C61-butyric Acid Methyl Ester (PCBM) in Polymer Blend Films2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhong, S. Kaori, D. Inoue, D. Hashizume, S. Izawa, K. Hashimoto, T. Koganezawa, K. Tajima
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 4 号: 9 ページ: 3335-3341

    • DOI

      10.1039/c5ta09545j

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dominant Effects of First Monolayer Energetics at Donor/Acceptor Interfaces on Organic Photovoltaics2015

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, K. Nakano, K. Suzuki, K. Hashimoto, K. Tajima
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 27 号: 19 ページ: 3025-3031

    • DOI

      10.1002/adma.201500840

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書 2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Electrochemical Detection of Circadian Redox Rhythm in Cyanobacterial Cells via Extracellular Electron Transfer2015

    • 著者名/発表者名
      K. Nishio, S. Kato, S. Izawa, T. Pornpitra, T. Nishiwaki-ohkawa, K. Hashimoto, S. Nakanishi
    • 雑誌名

      Plant and Cell Physiology

      巻: 56 号: 6 ページ: 1053-1058

    • DOI

      10.1093/pcp/pcv066

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fullerene-Free Organic Photovoltaics Based on Unconvensional Material Combination: Molecular Donor and Polymeric Acceptor2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Geng, B. Xiao, S. Izawa, J. Huang, K. Tajima, Q. Zeng, E. Zhou
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 3 号: 44 ページ: 22325-22331

    • DOI

      10.1039/c5ta06612c

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystallization-Induced Energy Level Change of [6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester (PCBM) Film: Impact of Polarization Energy2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhong, S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima, T. Koganezawa, and H. Yoshida
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 119 号: 1 ページ: 23-28

    • DOI

      10.1021/jp506296j

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Surface Functionalization of Organic Semiconductor Films by Segregated Monolayers2014

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 16 号: 31 ページ: 16383-16387

    • DOI

      10.1039/c4cp02305f

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] All-Polymer Solar Cell with High Near-infrared Response Based on a Naphthodithiophene Diimide (NDTI) Copolymer2014

    • 著者名/発表者名
      E. Zhou, M. Nakano, S. Izawa, J. Cong, I. Osaka, K. Takimiya, K. Tajima
    • 雑誌名

      ACS Macro Letter

      巻: 3 号: 9 ページ: 872-875

    • DOI

      10.1021/mz5004272

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Separated crystallization of donor and acceptor in oligo(p-phenylenevinylene)-naphthalenediimide dyad films2014

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, T. Nishizawa, K. Hashimoto, T. Koganezawa, K. Tajima
    • 雑誌名

      Synthetic Metals

      巻: 197 ページ: 175-181

    • DOI

      10.1016/j.synthmet.2014.09.019

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] ドナー/アクセプター界面第一層のエネルギー準位が電荷分離・再結合過程に与える影響2015

    • 著者名/発表者名
      伊澤 誠一郎、中野 恭兵、鈴木かおり、橋本 和仁 、但馬 敬介
    • 学会等名
      応用物理学会 秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県・名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-14
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Dominant Effects of First Monolayer Energetics at Donor/Acceptor Interfaces on Organic Photovoltaics2015

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, K. Nakano, K. Suzuki, K. Hashimoto, K. Tajima
    • 学会等名
      The European Conference on Molecular Electronics
    • 発表場所
      Strasbourg, France
    • 年月日
      2015-07-02
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dominant Effects of First Monolayer Energetics at Donor/Acceptor Interfaces on Organic Photovoltaics2015

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, K. Nakano, K. Suzuki, K. Hashimoto, K. Tajima
    • 学会等名
      International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics 8
    • 発表場所
      Tower Hall Funabori (Tokyo, Edogawa-ku)
    • 年月日
      2015-06-22
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ドナー/アクセプター界面第一層のエネルギー準位が有機薄膜太陽電池性能に与える影響2015

    • 著者名/発表者名
      伊澤 誠一郎、中野 恭兵、鈴木 かおり 、橋本 和仁 、但馬 敬介
    • 学会等名
      応用物理学会 春季学術講演会
    • 発表場所
      東海大学、神奈川県
    • 年月日
      2015-03-13
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 表面偏析単分子膜を用いたポリマー太陽電池中のドナーアクセプター界面構造制御2014

    • 著者名/発表者名
      伊澤 誠一郎、橋本 和仁 、但馬 敬介
    • 学会等名
      第63回高分子討論会
    • 発表場所
      長崎大学、長崎県
    • 年月日
      2014-09-26
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Surface Functionalization by Segregated Monolayers on Organic Semiconductor Films2014

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, K. Hashimoto, K. Tajima
    • 学会等名
      International Union of Materials Research Societies International Conference in Asia
    • 発表場所
      福岡大学、福岡県
    • 年月日
      2014-08-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis and Characterization of Donor-Acceptor Dyads and Their Application for Organic Solar Cells2014

    • 著者名/発表者名
      S. Izawa, T. Nishizawa, K. Hashimoto, K. Tajima
    • 学会等名
      International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals
    • 発表場所
      Turku, Finland
    • 年月日
      2014-07-04
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2015-01-22   更新日: 2024-03-26  

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