有機薄膜太陽電池のナノスケール・モルフォロジーによる高効率化

• 研究課題/領域番号: 24750012
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 藤井 幹也 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20582688)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2014年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2013年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2012年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 有機薄膜太陽電池 / 電子状態計算 / 電荷移動反応 / 非断熱化学反応 / 電子移動反応 / 非断熱ダイナミクス / 電荷再結合 / 反応動力学計算 / エキシトン / 電荷移動 / 電荷分離

研究成果の概要

本研究は有機薄膜太陽電池の動作原理を明らかにし，高効率化に向けて新材料分子の設計指針を具体的に得ることを目的とした．特に，電子ドナー分子と電子アクセプター分子の複合系に対して電子状態計算および反応動力学計算を用いて，創電に重要と考えられている分子界面における電荷移動反応を重点的に研究した．その結果，高い短絡電流密度および高い効率を示す有機薄膜太陽電池では光吸収と同時に電荷がアクセプター分子に移動し得ることがわかった．これはドナーとアクセプターの両者に非占有軌道が非局在化しているために生じる界面電荷移動型光励起が本質であり，付随する光誘起双極子が短絡電流を高密度化する指針であると示した．

研究成果

• [雑誌論文] Photon-absorbing charge-bridging states in organic bulk heterojunctions consisting of diketopyrrolopyrrole derivatives and PCBM (2016)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii, Woong Shin, Takuma Yasuda, and Koichi Yamashita
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 18 号: 14 ページ: 9514-9523
  • DOI: 10.1039/c5cp06183k
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dipole Analyses for Short-Circuit Current in Organic Photovoltaic Devices of Diketopyrrolopyrrole-Based Donor and PCBM (2016)
  • 著者名/発表者名: Shohei Koda, Mikiya Fujii, Shintaro Hatamiya, Koichi Yamashita
  • 雑誌名: Theoretical Chemistry Accounts 巻: 135 号: 5 ページ: 115-124
  • DOI: 10.1007/s00214-016-1875-z
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Semiclassical quantization of nonadiabatic systems with hopping periodic orbits (2015)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii and Koichi Yamashita
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 142 号: 7
  • DOI: 10.1063/1.4907910
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum-classical correspondence in steady states of nonadiabatic systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii and Koichi Yamashita
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1702 ページ: 090051-090051
  • DOI: 10.1063/1.4938859
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energy Alignment of Frontier Orbitals and Suppression of Charge Recombinations in P3HT/SWNT (2015)
  • 著者名/発表者名: Katsuhiko Nishimra, Mikiya Fujii, Ryota Jono, and Koichi Yamashita
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 119 号: 47 ページ: 26258-26265
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b06876
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 有機系太陽電池の電荷分離ダイナミクス (2013)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也，山下晃一
  • 雑誌名: 化学 巻: 68 ページ: 78-79
• [学会発表] Computational description of charge dissociation in organic photovoltaics (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: joint- symposium on theoretical and computational science of complex systems
  • 発表場所: 京都府京都市，京都大学福井謙一センター
  • 年月日: 2016-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池P3HT/PCBM界面の電子励起状態における電荷分離機構の計算化学的考察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 化学反応経路探索のニューフロンティア2016
  • 発表場所: 京都府京都市，京都教育文化センター
  • 年月日: 2016-09-12
  • 招待講演
• [学会発表] Charge separation pathway on electronically excited states of PCBM/P3HT interfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii and Koichi Yamashita
  • 学会等名: Energy Materials Nanotechnology 2016
  • 発表場所: Prague, Czech republic
  • 年月日: 2016-06-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池の創電機構に関する理論化学的研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 文部科学省 「エネルギーの高効率な創出，変換・貯蔵，利用の新規基盤技術の開発」第2回公開シンポジウム
  • 発表場所: 愛知県岡崎市，分子科学研究所
  • 年月日: 2016-03-07
• [学会発表] 解離反応：クラスターの蒸発解離と有機薄膜太陽電池における電子正孔解離 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 研究交流会「理論分子科学・分子非線形科学のこれまでとこれから」
  • 発表場所: 東京都目黒区，東京大学
  • 年月日: 2016-03-05
• [学会発表] ホッピング周期軌道による非断熱系の半古典量子化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 数学協働プログラム，大自由度分子系における化学反応機序の理解と制御
  • 発表場所: 北海道札幌市，北海道大学
  • 年月日: 2015-10-30
  • 招待講演
• [学会発表] 非断熱量子準位の古典的軌道による理解 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 第38回ケムインフォマティクス討論会
  • 発表場所: 東京都文京区，東京大学
  • 年月日: 2015-10-08
• [学会発表] 非断熱経路積分法入門とサーフィスホッピング軌道に関する考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 研究会「非断熱量子動力学とその周辺」
  • 発表場所: 東京都目黒区，東京大学
  • 年月日: 2015-09-20
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池の電荷再結合に分子軌道の非局在化が与える影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 星野聖良，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会2015
  • 発表場所: 東京都目黒区，東京工業大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池のモルフォロジーと変換効率に関する理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川嶋英佑，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会2015
  • 発表場所: 東京都目黒区，東京工業大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 有機系太陽電池 PTB/PCBM界面での電荷移動型励起子 (2015)
  • 著者名/発表者名: 村岡 梓，藤井 幹也，三嶋 謙二，城野 亮太，山下 晃一
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会2015
  • 発表場所: 東京都目黒区，東京工業大学
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Nonadiabatic Path Integral and Semiclassical Quantization with Periodic Hopping Orbits (2015)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii
  • 学会等名: Quantum Reactive Scattering 2015 (QRS 13th edition)
  • 発表場所: Salamanca, Spain
  • 年月日: 2015-06-06
  • 国際学会
• [学会発表] 非断熱経路積分のエーレンフェスト法への発展 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 第１8回理論化学討論会
  • 発表場所: 大阪府豊中市，大阪大学
  • 年月日: 2015-05-20
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池（PCBM/DPP誘導体）界面分子の理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 幡宮慎太郎，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 日本化学会 第95春季年会
  • 発表場所: 日本大学
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池のモルフォロジーと変換効率に関する理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川嶋英佑，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 日本化学会 第95春季年会
  • 発表場所: 日本大学
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [学会発表] Quantum-classical correspondence in steady states of nonadiabatic systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii and Koichi Yamashita
  • 学会等名: Computational Chemistry in ICCMSE 2015
  • 発表場所: Athene, Greece
  • 年月日: 2015-03-23 – 2015-03-25
• [学会発表] Interface structure of P3HT/SWNT blend and charge separation process on it (2015)
  • 著者名/発表者名: Katsuhiko Nishimra, Ryota Jono, Mikiya Fujii, and Koichi Yamashita
  • 学会等名: 2015 American Physical Society (APS) March Meeting
  • 発表場所: San Antonio, Texas, USA
  • 年月日: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [学会発表] １自由度非断熱系における量子古典対応 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: 量子論の理論および実験に関する研究会（QUATUO研究会）
  • 発表場所: 高知工科大学
  • 年月日: 2015-01-11 – 2015-01-12
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池の界面における電荷移動の理論的研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 星野聖良，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 2014年度電気化学秋季大会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-27 – 2014-09-28
• [学会発表] PCBM/diketopyrrolopyrrole1e誘導体界面における電荷移動機構に関する理論的研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也，Woong Shin，安田琢磨，山下晃一
  • 学会等名: 第8回分子科学討論会2014
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [学会発表] カーボンナノチューブ・ポリチオフェン誘導体界面における電荷分離過程 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西村亮彦, 藤井 幹也, 山下 晃一
  • 学会等名: 第8回分子科学討論会2014
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [学会発表] 有機系太陽電池ドナー/アクセプター界面での電荷移動型励起子 (2014)
  • 著者名/発表者名: 村岡梓，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 第8回分子科学討論会2014
  • 発表場所: 広島大学
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [学会発表] Semiclassical nonadiabatic dynamics based on onverlap integrals: "rigorous" surface hopping and geometrical quantization (2014)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii
  • 学会等名: High Dimensional Quantum Dynamics: Challenges and Opportunities (HDQD 2014)
  • 発表場所: Mittelwihr, France
  • 年月日: 2014-09-02 – 2014-09-06
• [学会発表] A role of photon absorbing exciplex at organic bulk heterojunctions consisting of diketopyrrolopyrrole derivatives and PCBM (2014)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii
  • 学会等名: EMN Summer | Energy Materials Nanotechnology 2014
  • 発表場所: Cancun, Mexico
  • 年月日: 2014-06-09 – 2014-06-12
  • 招待講演
• [学会発表] 1自由度非断熱系の幾何学的量子化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 第１７回理論化学討論会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-05-22
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池のモルフォロジーと変換効率に関する理論的研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川嶋英佑，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会 (2014)
  • 発表場所: 名古屋大学，愛知県
• [学会発表] Quantum and semiclassical formulations based on overlap integrals for nonadiabatic dynamics: “Rigorous” surface hopping (2013)
  • 著者名/発表者名: 藤井幹也
  • 学会等名: Quantum Reactive Scattering 2013
  • 発表場所: Bordeaux, France
  • 招待講演
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池(PCBM/P3HT)のπ共役長と分子配向に関する理論的研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 星野聖良，藤井幹也，山下晃一
  • 学会等名: 日本化学会第93春季年会
  • 発表場所: 立命館大学 びわこ・くさつキャンパス
• [学会発表] Nanomorphology of the interface between P3HT and SWNT (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsuhiko Nishimra, Mikiya Fujii, Ryota Jono, and Koichi Yamashita
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2013
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, US
• [学会発表] Packing effects in charge transfer dynamics in organic molecular heterojunctions consisting of TFB and F8BT (2013)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii and Koichi Yamashita
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2013
  • 発表場所: Baltimore, Maryland, US
• [学会発表] Quantum and semiclassical formulations based on overlap integrals for nonadiabatic dynamics: “Rigorous” surface hopping (2013)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii
  • 学会等名: Quantum Reactive Scattering 2013 (12th edition)
  • 発表場所: Bordeaux (France)
  • 招待講演
• [学会発表] ポルフィリン/C60誘導体界面における電荷分離速度過程の配向依存性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 永野智也，藤井幹也，城野亮太，山下晃一
  • 学会等名: 第６回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス
• [学会発表] カーボンナノチューブ・ポリチオフェン界面構造の半経験的分子軌道法による分析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 西村 亮彦，城野 亮太，藤井幹也，山下 晃一
  • 学会等名: 第６回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス
• [学会発表] 有機薄膜半導体界面(TFB/F8BT)における 電荷移動反応の分子配向依存性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤井 幹也，山下 晃一
  • 学会等名: 第６回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス
• [図書] Physical Model for Interfacial Carrier Dynamics" in Solar to Chemical Energy Conversion; Theory and Application (Eds. Masakazu Sugiyama, Katsushi Fujii and Shinichiro Nakamura) (2016)
  • 著者名/発表者名: Mikiya Fujii, Ryota Jono, and Koichi Yamashita
  • 出版者: Springer International Publishing