| 研究課題/領域番号 |
17H02768
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| 研究機関 | 分子科学研究所 |
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研究代表者 |
平本 昌宏 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 教授 (20208854)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 有機単結晶エレクトロニクス / ドーピング / ホール効果 / イオン化エネルギー / 有機単結晶太陽電池 / pnホモ接合 / 励起子拡散距離 / 交互多層接合 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、ドーピングによるpn制御のバンド伝導有機半導体単結晶への適用を世界で初めて行ない、ドーピング有機単結晶太陽電池等の、新しい有機単結晶デバイスの動作を実証し、「有機単結晶エレクトロニクス」の基礎を構築することを目的とする。
昨年度、正孔に対してバンド伝導を示すルブレン単結晶に、アクセプターとして働く、酸化モリブデンと塩化鉄のドーピングを行い、ホール効果によって、ドーピングによって発生したキャリア濃度、移動度を測定して、ドーピングイオン化率がそれぞれ37%、24%の非常に高い値を示すこと、および、ドーピングによってルブレン単結晶にキャリアトラップやキャリア散乱の原因となる欠陥が発生することを明らかにした。また、ルブレン単結晶の表面のみに酸化モリブデンをドーピングした場合、ドーピングに伴う欠陥が発生しないことを確認し、ホール効果の温度依存性から、ドーパントのイオン化エネルギーを約30 meVと決定できた。これは、室温ではほぼ100%のアクセプタードーパントが正孔を発生していることを意味し、シリコンと同等の100%のドーピング効率が、有機単結晶においても可能なことを示している。
さらに、ルブレン単結晶基板にドーピングによってpnホモ接合を作り込み、太陽電池として動作させることに、世界で初めて成功した。ルブレン単結晶の励起子の拡散距離は2.7マイクロメーターと非常に長く、47%の励起子をpn接合に収集できることを意味している。また、超高速移動度をもつ有機半導体単結晶膜の水平交互多層膜接合を作製し、キャリアを0.14 mmの長距離で水平方向に取り出すことによって、太陽電池として動作させることに世界で初めて成功した。これらの太陽電池は、これまで有機太陽電池に必須であったバルクヘテロ接合が不要な、新コンセプト有機太陽電池と位置づけることができる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
バンド伝導性ルブレン単結晶にアクセプタードーピングして、キャリア濃度、移動度をホール効果によって観測することに成功し、アクセプタードーパントのイオン化エネルギーが約30meVで、室温でドーピング効率100%を達成する可能性を示すことができた。これは、有機単結晶エレクトロニクスを構築するために、非常に重要な結果である。また、有機単結晶太陽電池、水平交互有機結晶多層接合が、太陽電池として動作することを確認できた。これらの太陽電池は、これまで有機太陽電池に必須であったバルクヘテロ接合が不要な、新しいコンセプトに基づく有機太陽電池で、有機単結晶エレクトロニクスの具体的デバイス例とみなせる。以上の結果が得られているため、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの結果を踏まえて、今後、以下の研究を推進する。
正孔、電子双方に対してバンド伝導を示す可能性のある、フッ素化ルブレンを合成し、ドーピングによって単独のバンド伝導性有機単結晶がp型、n型両極性となることをホール効果から実証する。ホール効果の温度依存性から、ドーパントの本質的なイオン化エネルギーを決定し、ドーピングによって発生する欠陥の濃度をポストアニール等によって減少できることを示す。ドーピング勇気単結晶基板を結晶成長技術によって作製する方法を確立する。さらに、フッ素化ルブレン単結晶基板が、長距離励起子拡散、単結晶基板上に作り込んだpnホモ接合による高効率励起子解離を示すことを実証し、実用的な効率を示す有機単結晶太陽電池を実現する。また、ドーピングした有機半導体単結晶膜の交互多層膜接合を作製し、キャリアを水平方向に取り出すことによって、実用的な効率を示す有機太陽電池を実現する。これらの太陽電池は、これまで有機太陽電池に必須であったバルクヘテロ接合が不必要なため、新コンセプト有機太陽電池と位置づけることができる。最終的に、「有機単結晶エレクトロニクス」の基礎を構築することを目指す。
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