有機光電変換デバイスの微視的評価法の確立

• 研究課題/領域番号: 15H02023
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 武内 修 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20361321)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円); 2018年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2017年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2016年度: 14,430千円 (直接経費: 11,100千円、間接経費: 3,330千円); 2015年度: 23,140千円 (直接経費: 17,800千円、間接経費: 5,340千円)
• キーワード: 走査プローブ顕微鏡 / 太陽電池 / 走査トンネル顕微鏡 / 有機太陽電池 / 有機LED / 有機薄膜太陽電池 / 光電変換

研究成果の概要

有機薄膜太陽電池に光を照射した際に生成される光キャリアを走査トンネル顕微鏡により収集することにより、ナノメートルの分解能で太陽電池内の性能分布を可視化する手法を開発した。この「光変調トンネル分光法」を用いることで、太陽電池の局所IV特性およびその光強度依存性を取得できる。デバイス全体のIV特性に比べると局所IV特性には試料の内部抵抗の影響が強く表れることを指摘すると共に、局所IV特性からデバイス物性（局所光キャリア生成量および局所光起電力）を読み取るための指針を与えた。さらに太陽電池内における局所光キャリア寿命の空間分布を得るため、パルスレーザーを用いた新たな時間分解STM装置を考案した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

製造の省力化・省コスト化のため、最新の太陽電池はアモルファスや多結晶のような不均一構造を持つことが多く、デバイス内には高性能な部分と低性能な部分とが混在している。局所性能を測定可能な顕微鏡はそのような複雑なデバイスの動作を理解し、さらなる高効率化を目指すために特に有用である。本研究は光変調トンネル分光法により局所性能を評価可能であることを示しただけでなく、得られる結果をどのように解釈すれば局所性能を決める重要な物理パラメータを取り出せるかという指標を与えるものである。また光キャリア寿命という別のパラメータを計測するための時間分解トンネル顕微鏡の開発も行った。

研究成果

• [雑誌論文] Externally triggerable optical pump-probe scanning tunneling microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Mogi, Wang Zihan, Kikuchi Ryusei, Cheul-hyun Yoon, Shoji Yoshida, Osamu Takeuchi, and Hidemi Shigekawa
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 12、2 号: 2 ページ: 025005-025005
  • DOI: 10.7567/1882-0786/aaf8b2
  • NAID: 210000135565
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] New delay time modulation sequence for optical-pump-probe STM with minimized light intensity fluctuation (2019)
  • 著者名/発表者名: Osamu Takeuchi, Hiroyuki Mogi, Zi-han Wang, Atsushi Taninaka, Shoji Yoshida, and Hidemi Shigekawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] 走査トンネル顕微鏡（STM）による有機薄膜太陽電池の局所性能評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: Osamu Takeuchi, Takahiro Ochiai, Shoji Yoshida and Hidemi Shigekawa
  • 雑誌名: Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ 巻: 60 号: 10 ページ: 381-387
  • DOI: 10.3131/jvsj2.60.381
  • NAID: 130006195451
  • ISSN: 1882-2398, 1882-4749
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Dependence of the Device Performance of Polymer Solar Cells on the Insertion of Metal Nanoparticle Layers at the Electron-collecting Electrodes (2017)
  • 著者名/発表者名: MARUMOTO Kazuhiro、KOSUGA Atsushi、LIU Dong、TAKEUCHI Osamu、SHIGEKAWA Hidemi
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 85 号: 5 ページ: 272-275
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.85.272
  • NAID: 130005645813
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 光ポンププローブSTM：光強度を変化させない遅延時間変調法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武内修，Zi-Han Wang, 茂木裕幸，Cheul Hyun Yoon, 谷中淳，吉田昭二，重川秀実
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 光STM による太陽電池評価におけるトンネル接合特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 篠原 和貴，腰地 空, 鈴木 彩，武内 修，谷中 淳，吉田 昭二，重川 秀実
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Nanoscale characterization of MDMO-PPV:PCBM Solar Cells by photo-assisted STM (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Shinohara, S. Koshiji, T. Matsui, A. Suzuki, A. Taninaka, S. Yoshida, O. Takeuchi, and H. Shigekawa
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14) & 26th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM26)
  • 国際学会
• [学会発表] Application of Light-Modulated Scanning Tunneling Spectroscopy (LM-STS) to Pentacene-based Organic Solar Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Koshiji, K. Shinohara, T. Matsui, A. Suzuki, A. Taninaka, S. Yoshida, O. Takeuchi, and H. Shigekawa
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14) & 26th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM26)
  • 国際学会
• [学会発表] MDMO-PPV:PCBM薄膜太陽電池の光STM (2018)
  • 著者名/発表者名: 武内 修, 五味 晃, 大橋 ファーゼルルラハマーン, 篠原 和貴, 腰地 空, 谷中 淳, 吉田 昭二, 重川 秀実
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] バルクヘテロ有機薄膜太陽電池のSTMによる評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 武内 修、村尾 啓士朗、落合 貴大、大橋 ファーゼルルラハマーン、篠原 和貴、安田 剛、吉田 昭二、重川 秀実
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Local Characterization of Organic Solar Cells by STM (2017)
  • 著者名/発表者名: O. Takeuchi, T. Ochiai, K. Shinohara, A. Gomi, F. Ohashi, A. Taninaka, S. Yoshida and H. Shigekawa
  • 学会等名: 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM25)
  • 国際学会
• [学会発表] Light emission from organic thin film solar cell measured by STM-LES (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Gomi, F. Ohashi, K. Shinohara, T. Yasuda, S. Yoshida, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM25)
  • 国際学会
• [学会発表] STM Emission Spectroscopy on Organic Solar Cell (2017)
  • 著者名/発表者名: F. Ohashi, A. Gomi, K. Shinohara, S. Yoshida, A. Taninaka, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM25)
  • 国際学会
• [学会発表] Nanoscale Evaluation of Organic Solar Cells by Light-Modulated Scanning Tunneling Microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazutaka Shinohara, Atsushi Taninaka, Shoji Yoshida, Osamu Takeuchi and Hidemi Shigekawa
  • 学会等名: 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM25)
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of MoS2 nanowire in Mo1-xWxS2 alloy monolayer studied by STM (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Mogi, S. Yoshida, Y. Kobayashi, Y. Miyata, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ハワイコンベンションセンター(Hawaii, USA)
  • 年月日: 2016-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Transient Dynamics of Low-dimensional TMDs Observed by Multi-probe Optical Pump-probe Scanning Tunneling Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Z.H. Wang, H. Mogi, T. Banba, S. Yoshida, Y. Miyata, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ハワイコンベンションセンター(Hawaii, USA)
  • 年月日: 2016-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Local Characterization of Opto-electronic and Reverse Opto-electronic Conversion Efficiencies of Organic Solar Cells by STM (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Murao, T. Ochiai, T. Yasuda, S. Yoshida, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ハワイコンベンションセンター(Hawaii, USA)
  • 年月日: 2016-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Scanning tunneling potentiometry on FIB-deposited PtC pattern by using multi-probe STM (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Bamba, H. Mogi, S. Yoshida, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ハワイコンベンションセンター(Hawaii, USA)
  • 年月日: 2016-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast Carrier Dynamics in MoS2 Probed by Time-resolved Multi-probe Scanning Tunneling Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Z.H. Wang, H. Mogi, T. Banba, S. Yoshida, Y. Miyata, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 物性研短期研究会「走査トンネル顕微鏡による物性研究の現状と展望」
  • 発表場所: 東京大学・物性研究所（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-10-31
• [学会発表] ransient Dynamics of MoS2 Observed by Multi-probe Optical Pump-probe Scanning Tunneling Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Z.H. Wang, H. Mogi, T. Banba, S. Yoshida, Y. Miyata, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 日本表面科学会関東支部 第4回関東支部セミナー
  • 発表場所: 東京大学理学部・化学館（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-10-18
• [学会発表] イオンビーム誘起堆積法により作成したPt配線の多探針STP測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 茂木 裕幸，番場 隆文，武内 修，重川 秀実
  • 学会等名: 日本表面科学会関東支部 第4回関東支部セミナー
  • 発表場所: 東京大学理学部・化学館（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-10-18
• [学会発表] 時間分解走査トンネル顕微鏡の開発と展望 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉田 昭二, Zi-han Wang, 武内 修, 重川 秀実
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] イオンビーム誘起堆積法により作成したPt配線の局所電位測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 茂木 裕幸，番場 隆文，武内 修，重川 秀実
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] LM-STSを用いた有機薄膜太陽電池の局所特性評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 五味晃，武内 修，重川 秀実
  • 学会等名: 第11回有機デバイス院生研究会
  • 発表場所: 千葉大学 西千葉キャンパス（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-07-06
• [学会発表] Effect of tip thermal expansion in laser combined STM (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shigeno, Z. H. Wang, T. Kishi, S. Yoshida, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 23rd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジホテル, 北海道虻田郡ニセコ町
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial Distribution of P3HT:PCBM Organic Photo Voltaic Propety Using Multistep LM-STS (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kobayash, T. Ochiai, T. Yasuda, S. Yoshida, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 23rd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジホテル, 北海道虻田郡ニセコ町
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会
• [学会発表] Nanoscale Polarimetry with STM Light Emission on P3HT:PCBM Solar Cell (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Murao, K. Naito, T. Ochiai, T. Yasuda, S. Yoshida, O. Takeuchi and H. Shigekawa
  • 学会等名: 23rd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジホテル, 北海道虻田郡ニセコ町
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会
• [備考] 重川研究室（筑波大学数理物質系）
  • URL: https://dora.bk.tsukuba.ac.jp/
• [備考] 筑波大学数理物質系 重川・武内研究室
  • URL: http://dora.bk.tsukuba.ac.jp/
• [産業財産権] 光出力システム、測定システム、光学的ポンプ・プローブ走査トンネル顕微鏡システム、演算器、プログラム (2018)
  • 発明者名: 重川秀実、武内修、汪子涵
  • 権利者名: 重川秀実、武内修、汪子涵
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-233878
  • 出願年月日: 2018