| 研究課題/領域番号 |
15H02023
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
武内 修 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20361321)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 走査プローブ顕微鏡 / 有機太陽電池 / 有機LED |
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| 研究実績の概要 |
１年目に導入したSTM/AFM測定系と合わせて使うための真空排気システムを導入し、さらに既存の光学系を組み合わせることにより、有機薄膜半導体の光電変換過程（発電過程）および光電変換逆過程（発光過程）をSTM/AFMを用いてナノスケールの分解能で観測可能な測定装置を完成した。この装置は超高真空中においてSTM/AFM測定中の試料に対してレーザー光を照射することにより光電変換を誘起し、生成した光キャリアをSTM/AFM探針により集めることで局所的な発電効率を測定可能な他、STM/AFM計測中に試料に探針から注入されたキャリアが試料裏面から注入されたカウンターキャリアと再結合して発する微弱光を収集し、波長毎あるいは偏光毎に強度を計測することで、局所的な逆光電変換効率も計測可能であり、試料の局所構造がその光電変換・逆光電変換過程に及ぼす影響を調べる上で非常に強力な手段となる。
同装置を用いてP3HT:PCBM系バルクへテロ型誘起薄膜太陽電池に対して計測を行ったところ、特に発光計測において測定効率が低く、探針の状態によって、あるいは光学系のアラインメントによって、検出光量が十分に得られないことがあった。そのため、探針作成条件を最適化し、また光学系の調整を容易にするため、高分解能なＣＣＤカメラと、新たな微調整機構を導入した。その結果、同試料に対して正・逆光電変換過程の同時観察を行うことに初めて成功した。
当初、誘起薄膜太陽電池において局所的に発光効率（逆光電変換効率）が低い箇所には非発光再結合中心が存在するため、キャリア寿命が短く、そのような箇所では発電効率（光電変換効率）も低いことを予想していたが、今回得られた結果ではむしろ両者は正の相関関係を持ち、予想と反していた。今後はこの理由を確かめつつ、有機光電変換素子の局所構造と局所効率との関係を明らかにしていく。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
１年目に導入予定だった有機薄膜半導体の光電変換過程（発電過程）および光電変換逆過程（発光過程）をSTM/AFMを用いてナノスケールの分解能で観測可能な測定装置を、予算の都合から１～２年目に分けて導入し完成することとなった。装置自体は設計通りに動作し、発電過程・発光過程とも測定に支障がないことが確認でき、ここまでは順調であった。
しかし、両手法を同一試料に適用しようとした場合に、特に発光過程の測定に再現性が乏しいことが問題となった。得られる光強度が非常に小さい場合が多く、安定した強度を得られなかったのである。
そこで集光光学系の調整方法を見直し、調整用の高解像度CCDカメラを導入し、また、調整機構を更新するためXYステージを導入し、調整機構を改良した。導入したCCDカメラはまだ解像度が十分ではなく、レンズ系の更新も視野に入れているが、改良前に比べると測定の再現性は大幅に向上した。この改良に時間がかかったのが計画の遅れの一因となった。
そのようにして改良した装置によりP3HT:PCBM太陽電池に対して発光過程と発電過程の両過程に対する測定を同一箇所に対して行った結果、測定前の予想に反して局所的に発光効率（逆光電変換効率）が低い箇所でむしろ発電効率（光電変換効率）が高くなる結果が得られたため、測定結果から局所物性を解明するためのモデル構築にやり直しが必要となった。これは測定前に未知であった内容が明らかになったという意味では進展であるものの、期間内にモデルを確立するという目標に対しては遅れを生じる要因となった。
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| 今後の研究の推進方策 |
発光過程のさらなる効率化のため、調整用CCDカメラのレンズの更新等の光学系調整方法の改良を行う。また、STM探針作成方法の改善を行う。
これまで主な試料としてきたP3HT:PCBM試料に比べ、より単純な構造を持つ太陽電池試料にまで測定対象を広げ、測定結果から局所物性を解明するためのモデル構築を進める。特に、照射光をoffにした直後のトンネル電流の時間変化と、局所内部抵抗との関係を明らかにする。
有機薄膜太陽電池試料に対する時間分解STM計測を行い、局所発電効率との相関を見る。
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