| 研究課題/領域番号 |
16H06127
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
百瀬 健 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10611163)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ナノ充填 / 有機半導体 / 超臨界流体 / プロセス / 有機薄膜太陽電池 |
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| 研究実績の概要 |
有機薄膜太陽電池においてシリコン太陽電池並みのエネルギー変換効率を得るべく，検討が進められている。中でも，材料の新規開発による性能向上は盛んに議論されているが，構造に関しては平面構造からバルクヘテロ構造に移行して以来，進展していない。p型/n型有機半導体がナノスケールで櫛歯状に相互に貫入した3次元ナノ櫛歯構造は，従来のバルクヘテロ構造では達成できなかった高効率電荷分離と広接合面積による高変換効率が期待でき理想的とされているが，ナノ櫛歯構造へ有機分子を充填する技術がなく実現されていない。本研究では，超臨界流体を用いた有機分子の高アスペクト比構造への充填技術を発展させ，3次元pn接合を形成し，高変換効率をもつ3次元ナノ櫛歯型有機薄膜太陽電池を作製することを目的とする。
本技術では，成長初期に核発生を伴うが，前年度までに二段階成長を行うことにより，初期核の横方向成長が促進され，極薄連続膜形成につながることを見い出した。一方で，狙いとなるナノスケール薄膜以外にもミクロンスケールの粒子が生じることがあり，デバイス応用を考えると，抑制が必要であった。今年度は脈動対策を施すことにより圧力変動のない環境下での製膜を可能にした。原料濃度，過飽和度，温度に関し条件検討を行い，ミクロンスケールの粒子発生を抑制するに至った。この時，堆積物は厚み数十nmのシート形状をしており，連続膜にはなっていなかったが，二段階成長を使用せずとも，横方向成長が進行していることを確認した。そのため，プロセス時間を延ばすことにより，数十nmの極薄連続膜の形成に成功した。製膜後の基板にUV照射を行うと，基板表面全体からテトラセン由来の緑色発光が観察され，また，X線回折から強い(001)配向が確認できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
これまでの検討から，高流量供給がミクロンスケール微粒子の抑制に効果的であることはわかっており，高流量ポンプを導入した。これにより，解決できるものと予想していたが，依然として粒子発生を完全に抑制するには至らなかった。そのため，基板表面に存在する微粒子のサイズ，密度，高さなどを画像解析により評価し，系統的かつ定量的に条件検討を行った。これにより，微粒子発生を抑制するに至った。その後は，微粒子の発生しない条件範囲内で極薄連続膜を形成できる条件およびその形成機構を検討する予定であったが，微粒子の抑制検討では，極薄連続膜が容易に作製できることが分かった。これまでは，供給した原料の多くを微粒子発生のために使われてしまっていたために薄膜形成に至らなかったが，微粒子発生を抑制し，供給原料の全てを薄膜形成に使うことができれば，平衡状態に近い環境で製膜を行える本技術の本質的特徴が発揮でき，理想的な結晶性薄膜堆積が可能になったものと思われる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本技術の課題の一つはプロセス中の微粒子発生の抑制であり，昨年度までの検討から，流量の増加に加え，流量の安定性も重要な因子であることが分かり，高流量ポンプの導入および脈流対策により微粒子の抑制に至った。得られた薄膜は厚さ数十nmの結晶性極薄膜であり，従来技術を凌ぐ高い結晶性と連続性を示した。今年度は，その成長機構を検討し，極薄膜形成のプロセスウィンドウを明らかにする。また，極膜膜形成を活用して，有機薄膜太陽電池に必要なナノ充填に取り組む。
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