| 研究課題/領域番号 |
18J20587
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
福原 友裕 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| キーワード | 有機太陽電池 / 共役高分子 / 電荷再結合 / 電荷寿命 / 曲線因子 |
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| 研究実績の概要 |
高分子材料を用いた有機太陽電池(OPV)においては、取り出し可能な最大の電流である短絡電流と、電荷回収効率を表す曲線因子がトレードオフの関係にあり、変換効率の向上を妨げている。このトレードオフを解消するためには、電荷のダイナミクスが素子特性に与える影響を明らかにし、電荷再結合を抑制するための要因を解明することが必要である。本年度は、高分子鎖へのフッ素導入によって曲線因子が系統的に変化する、PNTz4T系における電荷ダイナミクスを詳細に解析することで、二分子再結合損失と曲線因子の関係について検討した。
これらの系に対して過渡光起電力・過渡光電流（TPV・TPC）測定を行い、再結合が拡散律速の場合と比較してどれだけ抑制されているかを示す再結合抑制因子を算出した。まず、薄膜素子について、再結合抑制因子を求めたところ、厚膜化により曲線因子が低下しないPNTz4TおよびPNF4Tでは、曲線因子が低下するPNTz4TF2およびPNF4TF2と比較して値が小さく、再結合が抑制されていることが明らかになった。特に、最も曲線因子が高いPNTz4Tでは、拡散律速の場合と比較して再結合速度が2桁近く小さいことが分かった。これより、厚膜において高い曲線因子を実現し、変換効率を向上させるためには再結合を2桁程度抑制することが必要であるという設計指針が得られた。また、厚膜素子について同様に再結合抑制因子を求めたところ、PNTz4T, PNF4T, およびPNTz4TF2については薄膜素子とほぼ同じ値となった一方で、PNF4TF2では抑制因子が増加していることが分かった。このような電荷寿命の膜厚依存性は、活性層の相分離構造が膜厚によって変化していることを示唆している。したがって、厚膜で高いFFを実現するためには二分子再結合を抑制するだけでなく、電荷輸送に適した構造の維持が必要であることが結論づけられた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の目的は、OPVにおける電荷のダイナミクスが素子特性に与える影響を明らかにし、電荷再結合を抑制するための要因を解明することである。これにより、厚膜においても高い電荷回収効率を実現できることが期待される。本年度は、曲線因子の膜厚依存性が異なる系に着目することで、電荷再結合と曲線因子の関係について検討した。その結果、厚膜において高い曲線因子を実現するためには、再結合速度を2桁程度抑制し、厚膜でも適切な相分離構造を保つことが必要であることが明らかになった。高い電荷回収効率を実現する上で不可欠である、電荷再結合の抑制に関する定量的な指針が得られたため、研究はおおむね順調に進展していると考える。
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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、今後は再結合の抑制を可能とする機構について検討を行う。
まず、前年度に見出した、再結合損失の異なるPNTz4T系をモデル系として、階段状エネルギー構造が再結合に与える影響について検討する。OPVにおいては、高分子とフラーレンそれぞれの凝集相に加えて、両者の混合相が存在する。この三相間で電子のエネルギーレベルが異なり、階段状のエネルギー構造が形成されることによって、電子と正孔が界面から空間的に遠ざけられ、再結合が抑制されている可能性がある。そこで、凝集相と混合相のエネルギー準位をそれぞれ評価することで、二分子再結合損失と階段状エネルギー構造の関係を明らかにする。
また、近年、光吸収波長域を拡張する目的で第三成分を添加した、三元ブレンド太陽電池が活発に研究されている。しかし、第三成分を添加したことにより電荷回収が困難となり、一般に曲線因子は低い値となる。一方で、結晶性高分子PBDB-Tを電子ドナー材料とする太陽電池に非晶性高分子iPTZ1を第三成分として加えると、三元系の曲線因子が二元系よりも向上することが予備実験により明らかになっている。そこで、本年度はこれらの系について移動度や電荷寿命といった電荷ダイナミクスの解析を行い、何が高効率な電荷回収を可能としているのかを解明する。
以上により、二分子再結合を抑制し、高い電荷回収効率を実現するための要因を動作機構の観点から解明していく。
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