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有機薄膜太陽電池界面における電荷移動型エキシトンの解離と動的過程

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 21H05406
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)
研究機関日本女子大学

研究代表者

村岡 梓  日本女子大学, 理学部, 准教授 (70614014)

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)
キーワード非フラーレン型有機薄膜太陽電池 / 電荷移動型エキシトン / 電荷解離 / エキシトンダイナミクス / 有機薄膜太陽電池 / 量子化学計算 / 非フラーレン型太陽電池 / 電荷移動距離 / 第一原理計算
研究開始時の研究の概要

有機薄膜太陽電池の光変換効率の向上のためには、D/A積層構造界面におけるエキシトンダイナミクスと光電変換メカニズムの解明に基づいたドナー(D)・アクセプター(A)高性能材料の探索が不可欠である。本研究では、有機薄膜太陽電池界面における電荷移動型エキシトンの解離と生成キャリアの動的過程について、「エキシトン状態における振電相互作用」と「生成したキャリアのポーラロン伝導」の観点からエキシトンダイナミクス解明の理論的研究を行う。

研究実績の概要

本研究課題では、有機薄膜太陽電池界面における電荷移動型エキシトンの動的過程を解明すべく、(i) 初期生成した電荷移動型エキシトンは構造緩和し、弱く束縛した電子ポーラロン・正孔ポーラロン対(電荷移動状態)を形成すること、(ii) Hot Processの場合電荷移動状態が基底状態との振電相互作用による緩和をせずに直接解離してフリーな電子ポーラロンと、正孔ポーラロンになって拡散すると予測の元、エキシトン状態における振電相互作用について理論的研究を行ってきた。
中でも、短絡電流密度、開放電圧が異なるBTAxアクセプター分子に対して、ドナー分子PTB7のバルクヘテロ接合D/Aモデル系に着目する。ωB97XD/6-31G(d)レベルで、D/A界面における吸収スペクトル、HOMO-LUMOバンドギャップ、D*―A*状態間の電子的カップリング、電荷移動から電荷解離へのエネルギーバリアの計算を行った。
これらの系をまとめると、Jscが最も大きいBTA3/PTB7が電荷移動距離も長い、つまりエキシトンのサイズが大きいことが確認できた。また、D*/A*間の励起エネルギー移動よりエキシトンのサイズが大きいほど、短絡電流密度が大きくなる傾向がわかった。これは、高効率な有機太陽電池では、D側で生成したフレンケル型エキシトンが界面で電荷移動型エキシトンとなり、その大きさ(電子-正孔距離)が、変換効率と相関があると考えられる。次に、初期生成電荷移動型エキシトンの電荷移動状態への緩和、電荷移動状態の電子基底状態への緩和、すなわち再結合過程は、これらの状態における振電相互作用に支配されるとの観点から、光吸収、光発光過程での振電相互作用、すなわちエキシトン-フォノンの結合の強さに着目した。D/A複合体励起状態で構造が安定化すると電荷移動距離が大きくなり、基底状態への非断熱緩和を起こし易いとの結果が得られた。

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

    (16件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Effects of the rigid and sterically bulky structure of non-fused nonfullerene acceptors on transient photon-to-current dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Jinnai Seihou、Murayama Kasumi、Nagai Keisuke、Mineshita Megumi、Kato Kosaku、Muraoka Azusa、Yamakata Akira、Saeki Akinori、Kobori Yasuhiro、Ie Yutaka
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 10 号: 37 ページ: 20035-20047

    • DOI

      10.1039/d2ta02604j

    • 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
  • [雑誌論文] Electron Transport in Thin Films of Polymer and Small-Molecule Acceptors Visualized by Conductive Atomic Force Microscopy2021

    • 著者名/発表者名
      2.Anjar Taufik Hidayat, Hiroaki Benten,* Toshiki Kawanishi, Noboru Ohta, Azusa Muraoka, and Masakazu Nakamura
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 125 号: 25 ページ: 13741-13748

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c03837

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Machine learning for donor material exploration in fullerene-based organic thin-film solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yumi Morishita, Misato Yarimizu, Masanori Kaneko, Koichi Yamashita, Azusa Muraoka
    • 学会等名
      IPEROP23
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamic processes of charge-transfer excitons at the donor-acceptor interface of organic thin-film solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Azusa Muraoka
    • 学会等名
      103rd CSJ Annual Meeting Asia Symposium
    • 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] A theoretical study on dynamical processes of charge transfer excitons at the interface of organic thin-film solar cells2022

    • 著者名/発表者名
      Sumire Ikeyama, Megumi Mineshita, Yuzuki Minami, Azusa Muraoka
    • 学会等名
      33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photoabsorption and Excitation Energy Transfer in Fluorinated Non-Fullerene Acceptors for Organic Solar Cells2022

    • 著者名/発表者名
      Azusa Muraoka
    • 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] Theoretical Study on the effect of fluorine substitution in ITIC-based Non-Fullerene Type Organic Thin Film Solar Cells2022

    • 著者名/発表者名
      峰下恵,村岡梓
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池 PCPDTBT/PCBM界面での電荷移動型励起子2022

    • 著者名/発表者名
      吉田華乃香,立花れいな,峰下恵,南柚香,村岡梓
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] フラーレン型有機薄膜太陽電池のドナー材料探索に向けた機械学習2022

    • 著者名/発表者名
      森下裕未,鑓水美里,金子正徳,山下晃一,村岡梓
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2022年秋季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 非フラーレン型有機薄膜太陽電池における電荷移動型エキシトンの解離過程の理論研究2022

    • 著者名/発表者名
      南柚香,池山すみれ,村岡梓
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Relation of Photoabsorption and Excitation Energy Transfer in Fluorinated Non-Fullerene Type Organic Thin Film Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Sumire Ikeyama,Nozomi Ohta,Koichi Yamashita,Azusa Muraoka
    • 学会等名
      APS March Meeting 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] NTz 系非フラーレン型アクセプター分子の電荷分離過程2021

    • 著者名/発表者名
      池山すみれ,太田希,立花れい菜,村岡梓,山下晃一
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2021年秋季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] NTz系フッ素化非フラーレン型有機薄膜太陽電池における電荷分離過程の理論的研究2021

    • 著者名/発表者名
      池山すみれ,太田希,立花れい菜,村岡梓,山下晃一
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会2021北海道
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 非フラーレン型有機薄膜太陽電池におけるフッ素置換の効果に関する理論的研究2021

    • 著者名/発表者名
      峰下恵,太田希,山下晃一,村岡梓
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会2021北海道
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 日本女子大学 理学部 数物情報科学科 村岡研究室

    • URL

      https://mcm-www.jwu.ac.jp/~muraoka/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://mcm-www.jwu.ac.jp/~muraoka/

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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