その場実測した状態密度に基づく有機半導体デバイスのキャリア動作の解明

• 研究課題/領域番号: 18J21921
• 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: デバイス関連化学
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 清水 康平 千葉大学, 融合理工学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2020年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 紫外光電子分光 / ペロブスカイト太陽電池 / ギャップ内準位 / 欠陥準位 / 光電子分光 / 状態密度 / 配向分極 / 高感度紫外光電子分光 / 有機EL素子 / 有機半導体 / キャリア注入 / キャリア生成層

研究実績の概要

本年度は、ワイツマン科学研究所のＤａｖｉｄ　Ｃａｈｅｎ教授のグループと共同で有機無機ペロブスカイト太陽電池の素子性能と電子構造との関連の解明を進めた。特に、高効率材料として注目を集める2D/3D混合材料について、既存材料にあるバンドギャップ内の欠陥準位をもたないこと、ギャップ内準位の波動関数の主な波数成分が既存材料のそれと大きく異なることを明らかにした。
典型的な太陽電池材料の臭化物ペロブスカイトにおいては、ギャップ内準位の存在が光学的測定手法により判明している。近年、ペロブスカイト層状結晶を3次元結晶に組み入れた2D/3D混合膜が、従来の3D結晶を上回る量子効率を示し注目されている。そこで、2D/3Dおよび3D構造の臭化物材料について高感度UPSによりギャップ内の微少状態密度の分布を実測・比較し、2D/3D材料の高い性能と電子構造との相関を把握することを目指した。
光熱偏向分光やフォトルミネッセンスなどの光学手法で3D材料を測定すると、価電子帯上端から0.3 eV以上ギャップ中央寄りの“深い”トラップは観測されなかったが、高感度UPSでは同端から0.7 eV-1.7 eVの範囲に価電子帯より3桁低い状態密度をもつピークを観測した。2D/3Dではこの区間にピークはなく、状態密度は常に3Dを下回った。加えて始状態固定(CIS)法で分析したところ、始状態が“微少準位分布”のとき、3Dでは終状態運動エネルギー0.3 eV-0.5 eVに相当する波数が主成分だが、2D/3Dは少なくとも<1.0 eVは主成分でなく、有意に異なっていた。
以上の結果は、2D構造の導入がギャップ内準位を大幅に抑制する、高効率性と少ギャップ準位の相関を示すもので、あわせて高感度UPSが微少準位の波動関数の性質を識別できるという材料開発への応用性を提示するものである。これらの成果は国際学術誌にて発表された。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [国際共同研究] Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] Cavendish Laboratory(英国)
• [国際共同研究] Augsburg University/Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [国際共同研究] Augsburg University(ドイツ)
• [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [雑誌論文] Direct Probing of Gap States and Their Passivation in Halide Perovskites by High-Sensitivity, Variable Energy Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Shimizu, Igal Levine, Alberto Lomuscio, Michael Kulbak, Carolin Rehermann, Arava Zohar, Mojtaba Abdi-Jalebi, Baodan Zhao, Susanne Siebentritt, Fengshuo Zu, Norbert Koch, Antoine Kahn, Gary Hodes, Richard H. Friend, Hisao Ishii*, and David Cahen
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 号: 9 ページ: 5217-5225
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c11627
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystalline versus Amorphous Donor-Acceptor Blends: Influence of Layer Morphology on the Charge-Transfer Density of States (2020)
  • 著者名/発表者名: Theresa Linderl, Thomas Zechel, Alexander Hofmann, Tomoya Sato, Kohei Shimizu, Hisao Ishii, and Wolfgang Bruetting
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 13 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.13.024061
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gap States of a Polyethylene Model Oligomer Observed by Using High-Sensitivity Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: YAMAGUCHI Yuki、SHIMIZU Kohei、MATSUZAKI Atsushi、SANO Daisuke、SATO Tomoya、TANAKA Yuya、ISHII Hisao
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E102.C 号: 2 ページ: 168-171
  • DOI: 10.1587/transele.2018OMS0008
  • NAID: 130007586586
  • ISSN: 0916-8524, 1745-1353
  • 年月日: 2019-02-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dipolar Doping of Organic Semiconductors to Enhance Carrier Injection (2019)
  • 著者名/発表者名: Hofmann, AJL ; Zufle, S ; Shimizu, K ; Schmid, M ; Wessels, V ; Jager, L ; Altazin, S ; Ikegami, K ; Khan, MR ; Neher, D ; Ishii, H ; Ruhstaller, B; Bruetting, W
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW APPLIED 巻: 12 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.12.064052
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Direct Evidence for In-Gap States in Bromide Perovskites and Their Effects on Devices (2019)
  • 著者名/発表者名: Arava Zohar, Igal Levine, Kohei Shimizu, Michael Kulbak, Hisao Ishii, Gary Hodes, David Cahen
  • 学会等名: 2019 MRS Spring Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 波長掃引型高感度光電子分光によるペロブスカイト単結晶の電子構造観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 康平, Igal Levine, Arava Zohar, Michael Kulbak, Antoine Kahn, Gary Hodes, David Cahen, 石井 久夫
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高感度光電子分光で観測される有機材料薄膜の” 浅い”準位 の起源 (2018)
  • 著者名/発表者名: 清水 康平, 山崎 純暉, 金城 拓海, 佐藤 友哉, 吉田 弘幸, 田中 有弥, 石井 久夫
  • 学会等名: 第13回有機デバイス・物性院生研究会
• [学会発表] 高感度光電子分光で観察したキャリア生成層HAT-CNの電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 清水 康平, 山口 雄生, 丸山 泰一, 井手 一郎, 東海林 弘, 石井 久夫
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] “Shallow States” of Organic Films Observed by hν-Dependent High-Sensitivity Photoemission (2018)
  • 著者名/発表者名: Kohei Shimizu, Yuki Yamaguchi, Junki Yamazaki, Tomoya Sato, Hiroumi Kinjo, Hisao Ishii
  • 学会等名: 9th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-IX)
  • 国際学会