| 研究課題/領域番号 |
23K22789
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01519 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
間中 孝彰 東京工業大学, 工学院, 教授 (20323800)
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| 研究分担者 |
田口 大 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00531873)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2025年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2024年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2023年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
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| キーワード | 有機デバイス / 素子劣化 / 分光計測 / 有機エレクトロニクス / 光第二次高調波 / SHG測定 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
素子の「劣化」は本質的に防ぐことはできないが、封止などの対策により進行を遅くすることはできる。一方、これらの対策は経験則に基づいており、学術的に定着しているとはいえない。本研究では、「劣化」のサイエンスとして確立するため、動作下にあるデバイスを対象としたオペランド測定と、申請者が独自開発した電界イメージング技術を組み合わせ、多角的かつ系統的に議論を進める。特に、超高速電界イメージングによって劣化が生じる前の前駆現象を捉え、劣化の進行をその場観察によってモニターし、その上で劣化によって生じた変化を化学的に評価するといった一連の検討から、「劣化とは何か？」という学術的「問い」に対して答えていく。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、電界を可視化するという独自技術を用い、前駆段階における微小な変化を捉えつつ、前駆現象から素子破壊まで、劣化という現象を連続的・系統的に捉えていく。本年度は、主にポンププローブSHG法によるPVK太陽電池および有機薄膜太陽電池（OSC）中のキャリア挙動評価およびSHGイメージングによる劣化イメージングを実施した。まず、有機薄膜太陽電池における膜厚方向の電界分布をイメージングするSHGイメージング顕微鏡を構築した。通常のSHGとは少し異なり、2本のレーザー光をサンプルに同時に斜入射し、サンプル垂直方向かららのSHGをイメージングするような設計とした。また、太陽電池の劣化評価で用いられるLBIC測定系もこのシステムに組み込んだ。OSCとしてはP3HT:PCBMバルクヘテロ太陽電池を用い、LBIC測定を行いながら疑似太陽光を照射して劣化させる実験条件を確定させた。SHG測定において、P3HTの電界を選択的に評価するためにレーザー波長を実験的に決定し、SHG光強度の電圧依存性から光強度が最小となる外部電圧(補償電圧)を測定し、これを内部電界とした。その結果、劣化前後で補償電圧が減少することを見出し、劣化後の素子では蓄積電荷を主な原因としてP3HT内の電界が小さくなっていることを明確化した。また構築した縦電界顕微鏡を用いて面内の一部を劣化させた素子を評価したところ、界面におけるホール蓄積による縦電界強度の減少が確認できた。ＳＨ強度の変化量から蓄積電荷密度を見積もった結果、LBICの変換効率が低かった部分では蓄積電荷密度の上昇が確認され、劣化箇所を蓄積電荷密度変化として定量的に可視化する新しい劣化評価手法を構築することができた。
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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
昨年度計画していたポンププローブSHG法による有機太陽電池中のキャリア挙動評価について十分な進展があったことから、昨年度から前倒し使用を申請してラマン測定の準備を行っている。上述したように、SHGによる劣化イメージングの測定システムを構築し、劣化の有無によるSHG像の違いを確認することができた。この成果は劣化によるキャリア挙動の変化を反映したものであり、劣化の原因までは議論できていなかった。そのため、来年度以降に予定していたラマン測定を前倒しして実施することで、SHGによる電気的な視点からの劣化原因の特定と、ラマン測定による化学的要因の特定を優先させることにした。そのような意味では、大幅な進展があったといえるが、当初予定したPL測定をラマンイメージングの後に実施することになった。
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| 今後の研究の推進方策 |
SHGによる劣化イメージングはコアとなる技術のため今後も評価を継続していく。まずは、劣化のラマンイメージング取得を目指したい。また、SHGとLBICを同一装置で測定することで、劣化箇所を厳密に特定できるようになったため、本来は個別に測定することを想定していた異なる分光評価を、同一装置に組み込んで測定できるようにしたい。これにより、本研究で目的としている劣化機構の理解が更に加速すると期待される。また来年度は、SHGイメージングとラマン分光を組み合わせて、劣化が始まった箇所と未劣化箇所を比較してキャリア挙動や励起子分離挙動の違いを評価するとともに、PLイメージングによるキャリア寿命評価を行う。
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