| 研究課題/領域番号 |
22K05038
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分32010:基礎物理化学関連
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| 研究機関 | 横浜市立大学 |
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研究代表者 |
島崎 智実 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 准教授 (40551544)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
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| キーワード | 密度汎関数法 / 誘電関数 / 誘電率依存DFT / dielectric-dependent DFT / 有機薄膜太陽電池 / NFA / DFT / 誘電率依存 / 励起状態 / 色素 / 第一原理計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
有機薄膜太陽電池はシリコン等の無機系太陽電池を代替・補完するものとして注目を集めている。有機薄膜太陽電池は、シリコンなどの無機太陽電池と比較して簡便かつ安価に作成できることに加え、軽量・フレキシブルなどの特性を生かした新たな太陽電池の活用が期待できるためである。ただし、実用化にはエネルギー変換効率のさらなる向上が強く望まれている。エネルギー変換効率向上のためにNon Fullerene Acceptor (NFA)の活用が近年注目を集めている。本研究では、誘電率依存・電子密度汎関数法およびデバイス・モデルを用いて、NFAの有機薄膜太陽電池中での振る舞いを明らかにすることを目指す。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、これまで開発を行ってきた誘電率依存・電子密度汎関数法を用いて、Non Fullerene Acceptor (NFA)等の太陽電池材料の振る舞いを明らかにすることを目指している。現在、NFAを活用することにより、有機薄膜太陽電池デバイスのエネルギー変換効率を向上させる報告が多数なされている。しかしながら、デバイス中でNFAがどのように振る舞っているかについては充分に明らかにされていない。そこで本研究では、NFAの振る舞いを調べるために第一原理シミュレーションを実施する。
NFAは光を吸収して励起状態となる。そのため、第一原理シミュレーションによって NFAの励起状態を精密に扱うことが重要となる。そのため、本研究では申請者が開発を行ってきた誘電率依存の密度汎関数理論(DFT)法を活用する。誘電率依存DFT法では、非局所的な交換相互作用(Hartree-Fock Exchange項)は材料の誘電率に反比例する。つまり、誘電率依存DFTの中では、汎関数の形はターゲットとなる材料に応じて変化する。このような誘電率依存DFTの特性が機能性分子の励起状態を記述することに適していることを明らかにした。
特に本年度は、short-rangeのexchage項に特に注目して手法の開発を行った。これは、研究の結果、励起状態の記述をさらにより良く記述するためには、short-rangeのexchage項の改善が必要であることが判明したためである。そのため、半導体の誘電関数からshort-rangeのexchage項の振る舞いを明らかにし、様々な有機材料の励起状態に対して開発した手法を適用し、その有用性を確認した。結果は論文としてまとめ、現在、投稿している最中である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究はおおむね順調に進展していると考えている。また、査読付き海外ジャーナル上で研究成果を発表している。引き続き、研究を進め、研究成果の発表等を行っていく。
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| 今後の研究の推進方策 |
励起状態をさらに高精度に求めるには、short-rangeのexchange項の振る舞いが重要であることが明らかになってきた。そこで、半導体の誘電関数を逆フーリエ変換を施し、実空間上での振る舞いを詳細に調べた。結果、特に原点付近での振る舞いについては、これまで用いてきたYukawa-typeの遮蔽ポテンシャルを補正することが必要であることが判明した。そこで、Slater型のlocalなDFT汎関数を用い、その補正を試みた。よって、short-rangeのexchage項については、Yukawa-typeのnon-localな汎関数およびSlater-typeのlocalな汎関数の2つの項を用いてshort-range のexchange項を記述する手法を開発した。今後は、開発したDFT汎関数を用いて、様々な太陽電池材料の電子状態を計算し、太陽電池材料の詳細な振る舞いを明らかにしていくことを予定している。
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