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有機太陽電池における動的エキシトンと非フラーレンアクセプター分子四重極の相互作用

公募研究

研究領域動的エキシトンの学理構築と機能開拓
研究課題/領域番号 21H05384
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関千葉大学

研究代表者

吉田 弘幸  千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (00283664)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
キーワード有機太陽電池 / 低エネルギー逆光電子分光 / 永久四重極 / バルクヘテロ接合 / ドナー・アクセプター界面 / 非フラーレンアクセプター / 四重極 / 励起子束縛エネルギー / 永久四重極モーメント / 電子分極エネルギー
研究開始時の研究の概要

有機太陽電池(OPV)では、非フラーレンアクセプターの成功により劇的に光電変換効率が向上している。これは、非フラーレンアクセプターの高い吸光度により光電流が増加したこと、電圧損失が少ないことが要因である。しかし、後者の電圧損失が低い理由はよくわかっていない。本研究は、非フラーレンアクセプター分子のもつ大きな四重極に注目する。本研究では、代表者が確立した低エネルギー逆光電子分光法により、これまで見過ごされてきた非フラーレンアクセプターの大きな分子四重極が、OPVの動的エキシトン解離に与える影響を実測し、非フラーレンアクセプターの電圧損失が低い根本理由を解明する。

研究実績の概要

有機太陽電池(OPV)では、非フラーレンアクセプターの成功により劇的に光電変換効率が向上し、2022年には19%を超えている。これは、非フラーレンアクセプターの高い吸光度により光電流が増加したこと、電荷分離のエネルギー障壁が低いために電圧損失が少ないことが要因である。しかし、後者の電圧損失が低い理由はよくわかっていない。
本研究では、非フラーレンアクセプター分子のもつ大きな四重極に注目し、電圧損失の少ない原因を追究した。これまでに、代表者が開発した低エネルギー逆光電子分光法を紫外光電子分光法と組み合わせることで、電荷-四重極相互作用が実験的に測定可能であることを示してきた。この研究手法をドナー・アクセプターのバルクヘテロ接合に適用し、これまで見過ごされてきた非フラーレンアクセプターの大きな分子四重極が、OPVの動的エキシトン解離のエネルギー障壁に与える影響を実測した。
この結果、フラーレンアクセプターに比べて、非フラーレンアクセプターでは、ドナー・アクセプター混合比率によって電子準位(LUMO準位)が0.1 eV以上変化することが分かった。大きな四重極を持つ非フラーレンアクセプターで大きな電子準位の変化が見られたことから、この変化は四重極によるものと結論できる。また、ドナー・アクセプターの濃度比を変えた実験からは、電子準位が界面付近から電極に向かって電荷を収集するのに有利なエネルギーカスケードが実現していることが分かった。このような電子準位が非フラーレンアクセプターを用いたOPVの電荷分離効率を高め、電圧損失を低下させていることを示している。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 1件、 招待講演 9件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Tripodal Triazatruxene Derivative as a Face-On Oriented Hole-Collecting Monolayer for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Truong Minh Anh、Murdey Richard、Yamada Takumi、Hira Shota、Xie Lingling、Nakamura Tomoya、Shioya Nobutaka、Kan Daisuke、Tsuji Yuta、Iikubo Satoshi、Yoshida Hiroyuki、Shimakawa Yuichi、Hasegawa Takeshi、Kanemitsu Yoshihiko、Suzuki Takanori、Wakamiya Atsushi
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 号: 13 ページ: 7528-7539

    • DOI

      10.1021/jacs.3c00805

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Electron affinities of small-molecule organic semiconductors: Comparison among cyclic voltammetry, conventional inverse photoelectron spectroscopy, and low-energy inverse photoelectron spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Kubo Mihiro、Yoshida Hiroyuki
    • 雑誌名

      Organic Electronics

      巻: 108 ページ: 106551-106551

    • DOI

      10.1016/j.orgel.2022.106551

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sample-shape dependent energy levels in organic semiconductors2022

    • 著者名/発表者名
      Abd-Rahman Syed A.、Yamaguchi Takuma、Kera Satoshi、Yoshida Hiroyuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 7 ページ: 075303-075303

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.075303

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Conduction band structure of high-mobility organic semiconductors and partially dressed polaron formation2022

    • 著者名/発表者名
      Sato Haruki、Abd. Rahman Syed A.、Yamada Yota、Ishii Hiroyuki、Yoshida Hiroyuki
    • 雑誌名

      Nature Materials

      巻: 21 号: 8 ページ: 910-916

    • DOI

      10.1038/s41563-022-01308-z

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ion-modulated radical doping of spiro-OMeTAD for more efficient and stable perovskite solar cells2022

    • 著者名/発表者名
      Z.Tiankai、W.Feng、Kim H.、Choi I.、Wang C.、Cho E.、K.Rafal、P.Yuttapoom、Terado K.、Kobera L.、Chen M.、Yang Mei、Bai Sai、Yang Bowen、Suo J.、Yang S.-C.、Liu X.、Fu Fan、Yoshida H.、Chen W.M.、Brus Jiri、Coropceanu Veaceslav、Hagfeldt A.、Bredas J.-L.、Fahlman M.、Kim D.S.、Hu Z.、Gao F.
    • 雑誌名

      Science

      巻: 377 号: 6605 ページ: 495-501

    • DOI

      10.1126/science.abo2757

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 分子四重極と有機薄膜太陽電池の電荷分離2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      第11回動的エキシトンセミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Surface/Interface Structures of Perovskite Films Studied By Electron Spectroscopies2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      241th ECS meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] X線光電子分光と低エネルギー逆光電子分光によるRu三核錯体の電子状態の観測2022

    • 著者名/発表者名
      谷佳樹, 川島雅哉, 高橋龍之介, 下元直樹, 田原圭志朗,阿部正明, 吉田弘幸, 和達大樹
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有機太陽電池材料の最適なバンドギャップはいくらか?2022

    • 著者名/発表者名
      吉田 弘幸、中野 恭兵、杉江 藍、但馬 敬介、尾坂 格
    • 学会等名
      第70回 応用物理春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ワイドギャップ有機半導体の低エネルギー逆光電子分光測定2022

    • 著者名/発表者名
      川島 雅哉、キム ミンジュン、夫 勇進、吉田 弘幸
    • 学会等名
      第69回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 結晶性ルブレン薄膜のLUMOバンド構造の実測2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木 哲成、佐藤 晴輝、シェド アブドラー、石井 宏幸、ジョーダン ダル、バリー ランド、吉田 弘幸
    • 学会等名
      第69回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 低エネルギー電子線透過分光と主成分分析法による有機半導体の電子線損傷の解析2022

    • 著者名/発表者名
      寺戸 航佑、吉田 弘幸
    • 学会等名
      第69回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LUMO準位の直接観測による有機/金属界面の電子注入・収集障壁2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      学振125委員会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子分光で調べるペロブスカイトの表面・界面構造2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      第2回ペロブスカイト太陽電池分科会「ペロブスカイト太陽電池の基礎科学」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機半導体のLUMO バンド構造の実測と伝導機構の解明2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      応用物理学会M&BE研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Electron injection and collection barriers at organic/metal interface2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Yoshida
    • 学会等名
      The 39 International Conference of Photopolymer Science and Technology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 角度分解低エネルギー逆光電子分光の開発と有機半導体の伝導帯測定とポーラロン形成2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      光機能研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機半導体の伝導帯バンド構造の実測と伝導機構の解明2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機半導体の伝導帯観測と電子-フォノン相互作用の解明2022

    • 著者名/発表者名
      吉田弘幸
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非フラーレンアクセプターの四重極と有機太陽電池の開放電圧2021

    • 著者名/発表者名
      寺戸 航佑、キム ヒョンド、大北 英生、斎藤 慎彦、尾坂 格、吉田 弘幸
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 非フラーレンアクセプタY6の凝集構造中の面内配向2021

    • 著者名/発表者名
      中野 恭兵、寺戸 航佑、加地 由美子、吉田 弘幸、但馬 敬介
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 有機太陽電池の陰極/有機電解質界面のLUMO電子準位接続2021

    • 著者名/発表者名
      福島 駿、キム ヒョンド、大北 英生、吉田 弘幸
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 千葉大学大学工学研究科物質科学コース 吉田・奥平・解良研究室

    • URL

      https://adv.chiba-u.jp/nano/yoshida_lab/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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