金属ハライドペロブスカイトと融合させた次世代型有機デバイスの動作機構の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02817
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 松島 敏則 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (40521985)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 金属ハライドペロブスカイト / LED / 外部量子効率 / 蛍光性有機分子 / エネルギー移動

研究実績の概要

有機EL(エレクトロルミネッセンス)素子において、通常は非発光性である三重項励起子を発光に利用するためには、高価なりん光性イリジウム化合物もしくは精密な分子設計が必要な熱活性化遅延蛍光性(TADF)化合物を用いる必要があった。ところが申請者は、蛍光性有機分子であるベンゾチアジアゾール誘導体(BTA)を導入した2次元ペロブスカイトを発光層としたLEDにおいて、平均で9.9%の高い外部量子効率が得られた。発光量子収率や光取り出し効率を考慮して、一重項励起子の生成効率を計算するとおよそ100%であることが分かった。つまりこの結果は、安価で材料設計が容易な蛍光性有機分子を用いても、りん光及びTADF型有機EL素子に匹敵する高い外部量子効率が得られることを示唆するものであり、将来的にディスプレイ及び照明産業に大きなインパクトを与える。しかし、蛍光性有機分子を用いても100%の一重項励起子の生成効率が得られる理由は未だ明らかにされていない。そこで本研究では、100%の一重項励起子の生成効率が得られる理由を解明することを目指す。2021年度は、数十から数百ピコ秒における超高速の時間分解過渡PLおよび過渡吸収測定等を行った。その結果、無機骨格で形成される励起子が蛍光性有機分子へとエネルギー移動していることを実験的に突き止めた。

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

PbBr無機層からBTA有機層へのエネルギー移動を評価するために超高速の時間分解過渡PL測定を行った。約400nmにおいてPbBr無機層からの発光が立ち上がり、その後、数十psの時間スケールで減衰した。PbBr無機層からの発光が減衰すると同時に、約550nmにおけるBTA有機層からの発光が立ち上がった。この結果は、PbBr無機層からBTA有機層へのエネルギー移動が生じていることを示すものである。光学的に不活性なフェネチルアミンを導入した２次元ペロブスカイト膜をリファレンスとして用いることにより、PbBr無機層からBTA有機層へのエネルギー移動の効率はおよそ100%であることを見出した。過渡吸収測定結果においても、PbBr無機層由来のピークが立ち下がると同時にBTA有機層由来のピークが立ち上がっていた。過渡吸収測定結果からもPbBr無機層からBTA有機層へのエネルギー移動が生じていることを明らかにした。2020年度に行ったエネルギー準位の精密測定結果を考慮すると次のようなプロセスが生じていると推測される。LED中の二次元ペロブスカイト膜に注入された電子とホールは、エネルギーギャップが小さなPbBr無機層を通って輸送され、再結合によりPbBr無機層で励起子が形成される。次に、PbBr無機層で形成された励起子はBTA有機層へとエネルギー移動され、発光に至る。PbBr無機層におけるbright励起子はdark励起子に変換されづらいために、bright励起子からBTAの発光性一重項励起子に100%の確率でエネルギー移動する。他方、PbBr無機層のdark励起子は、エネルギー移動距離が小さいためにBTAの非発光性三重項励起子へのエネルギー移動は生じにくくなり、その結果、従来よりも高いLED外部量子効率が得られる。

今後の研究の推進方策

申請者が作製した有機とペロブスカイトのハイブリッド型の有機EL素子において100%の一重項励起状態の生成効率が得られた。その理由として、最初にペロブスカイト無機骨格で励起子が形成され、次にその励起子が蛍光性有機分子へとエネルギー移動することをこれまでに明らかにした。今後は、本システムをレーザーデバイスや太陽電池デバイスへと応用することに挑戦する。レーザー発振に必要な大電流を絶縁体である有機層に安定的に輸送させることは非常に難しい。本研究では、2次元型ペロブスカイトの有機層としてレーザー色素を導入する。キャリア移動度が高い無機層を介して大電流を輸送し、レーザー色素を発光させれば、安定的にレーザー発振させることができるようになると考えられる。さらに、本ハイブリッド構造を用いれば、長寿命で非発光性の三重項励起状態が形成されないために、レーザー発振閾値の低下や連続レーザー発振が実現する可能性がある。2次元ペロブスカイトの有機層としてp型及びn型有機分子を導入する。太陽光照射により有機層で生成された電子とホールをペロブスカイト無機層により効率的に電極に取り出すことができれば、新コンセプトのハイブリッド太陽電池が誕生する。

研究成果

• [国際共同研究] サバラガムワ大学(スリランカ)
  • 国名: スリランカ
  • 外国機関名: サバラガムワ大学
• [国際共同研究] Academia Sinica(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Academia Sinica
• [国際共同研究] ヴィリニュス大学(リトアニア)
  • 国名: リトアニア
  • 外国機関名: ヴィリニュス大学
• [雑誌論文] Performance Analysis of A Perovskite-based Thing-to-thing Optical Wireless Power Transfer System (2022)
  • 著者名/発表者名: Dinh Hoa Nguyen*, Ganbaatar Tumen-Ulzii, Toshinori Matsushima, and Chihaya Adachi
  • 雑誌名: IEEE Photonics Journal 巻: 14 ページ: 6213208
  • DOI: 10.1109/JPHOT.2022.3146365
  • 査読あり
• [雑誌論文] Markedly Improved Performance of Optically Pumped Organic Lasers with Two-Dimensional Distributed-Feedback Gratings (2021)
  • 著者名/発表者名: Chathuranganie A. M. Senevirathne, Atula S. D. Sandanayaka*, Buddhika S. B. Karunathilaka, Takashi Fujihara, Fatima Bencheikh, Chuanjiang Qin, Kenichi Goushi, Toshinori Matsushima*, and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 8 ページ: 1324～1334
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01728
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Energy transfer in (PEA)2FAn－1PbnBr3n+1 quasi-2D perovskites (2021)
  • 著者名/発表者名: Dziugas Litvinas, Ramunas Aleksiejunas*, Patrik Scajev, Paulius Baronas, Vaiva Soriute, Chuanjiang Qin, Takashi Fujihara, Toshinori Matsushima, Chihaya Adachi, and Saulius Jursenasy
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 9 ページ: 4782～4791
  • DOI: 10.1039/D1TC00422K
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of Heptacene and Its Hole‐Transfer Property of Stable Thin Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Miyazaki*, Motonori Watanabe, Toshinori Matsushima*, Ching-Ting Chein, Chihaya Adachi, Shih-Sheng Sun, Hiroyuki Furuta and Tahsin J. Chow*
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 27 ページ: 10677～10684
  • DOI: 10.1002/chem.202100936
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Towards Thing-to-Thing Optical Wireless Power Transfer: Metal Halide Perovskite Transceiver As An Enabler (2021)
  • 著者名/発表者名: Dinh Hoa Nguyena*, Chuanjiang Qin, Toshinori Matsushima, and Chihaya Adachi
  • 雑誌名: Frontiers in Energy Research, section Sustainable Energy Systems and Policies 巻: 9 ページ: 679125
  • DOI: 10.3389/fenrg.2021.679125
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unintentional passivation of 4-tertbutyl pyridine for improved efficiency and decreased operational stability of perovskite solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ganbaatar Tumen-Ulzii, Morgan Auffray, Toshinori Matsushima*, and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 ページ: 241603
  • DOI: 10.1063/5.0051527
  • 査読あり
• [雑誌論文] Active Control of Spontaneous Orientation Polarization of Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum (Alq3) Films and Its Effect on Performance of Organic Light-Emitting Diodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Yu Esaki, Masaki Tanaka, Toshinori Matsushima, and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: 7 ページ: 2100486
  • DOI: 10.1002/aelm.202100486
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron-Affinity Substituent in 2,6-Dicarbonitrile Diphenyl-1λ5-Phosphinine (DCNP) Towards High-Quality Organic Lasing and Electroluminescence under High Current Injection (2021)
  • 著者名/発表者名: Xun Tang, Umamahesh Balijapalli, Buddhika. S. B. Karunathilaka, Daichi Okada, Chathuranganie A. M. Senevirathne, Yi-Ting Lee, Atula S. D. Sandanayaka*, Toshinori Matsushima*, and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 31 ページ: 2104529
  • DOI: 10.1002/adfm.202104529
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mini-review on efficiency and stability of perovskite solar cells with spiro-OMeTAD hole transport layer: Recent progress and Perspectives (2021)
  • 著者名/発表者名: Ganbaatar Tumen-Ulzii, Toshinori Matsushima, and Chihaya Adachi
  • 雑誌名: Energy & Fuels 巻: 35 ページ: 18915～18927
  • DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c02190
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2,6-Dicarbonitrile Diphenyl-1λ5-Phosphinine (DCNP);A Robust Conjugated Building Block for Multi-Functional Dyes Exhibiting Tunable Amplified Spontaneous Emission (2021)
  • 著者名/発表者名: Umamahesh Balijapalli, Xun Tang, Daichi Okada, Yi-Ting Lee, Buddhika. S. B. Karunathilaka, Morgan Auffray, Ganbaatar Tumen-Ulzii, Youichi Tsuchiya, Atula S. D. Sandanayaka, Toshinori Matsushima*, Hajime Nakanotani* and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 9 ページ: 2101122
  • DOI: 10.1002/adom.202101122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Achieving a Carbon Neutral Future through Advanced Functional Materials and Technologies (2021)
  • 著者名/発表者名: Andrew Chapman, Toshinori Matsushima, et al
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 95 ページ: 73～103
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210323
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recycling of triplets into singlets for high-performance organic lasers (2021)
  • 著者名/発表者名: Chathuranganie A. M. Senevirathne, Seiya Yoshida, Morgan Auffray, Buddhika S. B. Karunathilaka, Kenichi Goushi, Atula S. D. Sandanayake, Toshinori Matsushima*, and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 10 ページ: 2101302
  • DOI: 10.1002/adom.202101302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Advanced Organic Laser System Having Triplet Scavengers (2021)
  • 著者名/発表者名: Buddhika S. B. Karunathilaka, Umamahesh Balijapalli, Toshinori Matsushima*, Atula S. D. Sandanayaka*, and Chihaya Adachi*
  • 雑誌名: Journal of the Imaging Society of Japan 巻: 60 ページ: 615～630
  • DOI: 10.11370/isj.60.615
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Performance of Perovskite Solar Cells by Suppressing The Energy-Level Shift of The PEDOT:PSS Hole Transport Layer (2021)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yahiro*, Shun Sugawara, Shinichi Maeda, Yuko Shimoi, Pangpang Wang, Shin-ichiro Kobayashi, Kotaro Takekuma, Ganbaatar Tumen-Ulzii, Chuanjiang Qin, Toshinori Matsushima, Tadayuki Isaji, Yoshinori Kasai, Takashi Fujihara, and Chihaya Adachi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 4 ページ: 14590～14598
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c03213
  • 査読あり
• [学会発表] 「太陽光発電の謎に迫る！」～脱炭素技術の最前線～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 松島敏則
  • 学会等名: 第８２ 回サイエンスカフェ＠ふくおか(オンライン)
  • 招待講演
• [学会発表] ペロブスカイト薄膜LEDおよびレーザーへの研究展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松島敏則
  • 学会等名: 日本学術振興会, 光電相互変換 第125委員会, 本委員会 第258回研究会 (オンライン)
  • 招待講演
• [学会発表] ペロブスカイト太陽電池の高耐久性化に向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 松島敏則
  • 学会等名: 日本太陽光発電学会 ペロブスカイト太陽電池分科会 2021年度第2回研究会 「ペロブスカイト太陽電池の基礎科学」
  • 招待講演
• [学会発表] 有機膜の密度制御とデバイス応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松島 敏則, 江崎 有, 青山 哲也, 安達 千波矢
  • 学会等名: 日本化学会第102春季年会（2022）中長期テーマシンポジウム ～高密度共役物質の未来～新しい電子共役から生み出される機能～（オンライン）
  • 招待講演
• [学会発表] Metal halide perovskites for high-performing LEDs and lasers (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima and Chihaya Adachi
  • 学会等名: The Eighth International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO 2021) (Virtual Meeting)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal halide hybrid perovskites for high-performance LED and laser devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima and Chihaya Adachi
  • 学会等名: The 38th International Conference of Photopolymer Science and Technology (ICPST-38) (online)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Vacuum-deposition engineering for high-performance organic electronic devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima, Yu Esaki, Chihaya Adachi
  • 学会等名: The 13th Asian Conference on Organic Electronics (A-COE2021) (Online)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Degradation Mechanism of Spiro-OMeTAD-Based Perovskite Solar Cells at High Temperature (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima, Ganbaatar Tumen-Ulzii, and Chihaya Adachi
  • 学会等名: The International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE) (online conference)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属ハライドペロブスカイトー基礎から物理、最先端デバイスまでー (2021)
  • 著者名/発表者名: 松島 敏則
  • 学会等名: JOEMアカデミー2021
  • 招待講演
• [学会発表] Optical lasing from metal halide hybrid perovskite films (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima, Chuanjiang Qin, Matthew R. Leyden, A. S. D. Sandanayaka, and Chihaya Adachi
  • 学会等名: 2021 KJF-International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF-ICOMEP2021) (online)
  • 国際学会
• [学会発表] Unintentional passivation of 4-tertbutyl pyridine for improved efficiency and decreased operational stability of perovskite solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ganbaatar Tumen-Ulzii, Toshinori Matsushima, and Chihaya Adachi
  • 学会等名: 2021 KJF-International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF-ICOMEP2021) (online)
  • 国際学会
• [学会発表] Insolubilization of the organic hole transport layer through siloxane network formation for efficient perovskite light-emitting diodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima and Chihaya Adachi
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2021) (ALL-VIRTUAL conference)
  • 国際学会
• [学会発表] Highly efficient and stable metal halide hybrid perovskite solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ganbaatar Tumen-Ulzii, Toshinori Matsushima, and Chihaya Adachi
  • 学会等名: 207th Institute Interest Seminar Series (Webinar), I2CNER, Kyushu University
  • 国際学会
• [学会発表] 金属ハライドペロブスカイトLED及びレーザーへの研究展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松島 敏則, シン センコウ, 渡辺 慧, 安達 千波矢
  • 学会等名: M&BE6月研究会「時代を切り拓く有機分子・バイオエレクトロニクス研究」(オンライン)
• [学会発表] チエノキノイド分子配向薄膜トランジスタにおける冷間等方圧加圧による移動度向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青山 哲也, 松島 敏則, 田中 利彦, Benoit Heinrich, Fabrice Mathevet, 村中 厚哉, 高石 和人, 内山 真伸, 松本 真哉, 山形 豊, 安達 千波矢, Jean-Charles Ribierre
  • 学会等名: 2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会(オンライン)
• [学会発表] 電流励起型ペロブスカイト半導体レーザーの実現に向けた基礎検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奈須 龍太郎, 松島 敏則, 安達千波矢
  • 学会等名: 2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会(オンライン)
• [学会発表] 真空蒸着法による鉛フリーペロブスカイト太陽電池の作製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹熊 廣太郎, 松島 敏則, 安達 千波矢
  • 学会等名: 2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会(オンライン)
• [図書] Insolubilization of the organic hole transport layer through siloxane network formation for efficient perovskite light-emitting diodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Matsushima and Chihaya Adachi
  • 総ページ数: 2
  • 出版者: Extended Abstracts of 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2021), Page 377－378 (G－1－07), Year 2021
• [図書] 有機半導体レーザー分子の耐久特性の向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安達 千波矢, 儘田 正史, 松島 敏則
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 表面と真空, 64巻, 1号, 4－9頁, 2021年
• [図書] 金属ハライドペロブスカイトLED及びレーザーへの研究展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松島 敏則, シン センコウ, 渡辺 慧, 安達 千波矢
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会会誌, 32巻, 2号, 92 (45) －95 (48)頁, 2021年
• [産業財産権] レーザー素子, 化合物, 化合物の製造方法, レージング増感剤 (2022)
  • 発明者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 権利者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 17/765,242 (US)
  • 外国
• [産業財産権] レーザー素子, 化合物, 化合物の製造方法, レージング増感剤 (2022)
  • 発明者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 権利者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 10-2022-700548 (Korea)
  • 外国
• [産業財産権] レーザー素子, 化合物, 化合物の製造方法, レージング増感剤 (2022)
  • 発明者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 権利者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-551187
• [産業財産権] レーザー素子, 化合物, 化合物の製造方法, レージング増感剤 (2022)
  • 発明者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 権利者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 20871785.0 (EP)
  • 外国
• [産業財産権] レーザー素子, 化合物, 化合物の製造方法, レージング増感剤 (2022)
  • 発明者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 権利者名: サンダナヤカ サンガランゲ ドン アトゥラ他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 202080067864.9 (China)
  • 外国
• [産業財産権] ELECTRICALLY DRIVEN ORGANIC SEMICONDUCTOR LASER DIODE, AND METHOD FOR PRODUCING SAM (2022)
  • 発明者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 権利者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: EP3939131
  • 外国
• [産業財産権] CURRENT-INJECTION ORGANIC SEMICONDUCTOR LASER DIODE, METHOD FOR PRODUCING SAME AND PROGRAM (2022)
  • 発明者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 権利者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: US-2022-037860
  • 外国
• [産業財産権] CONTINUOUS-WAVE ORGANIC THIN-FILM DISTRIBUTED FEEDBACK LASER AND ELECTRICALLY DRIVEN ORGANIC SEMICONDUCTOR LASER DIODE (2022)
  • 発明者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 権利者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 17/674,668
  • 外国
• [産業財産権] レーザー素子、レーザー発振方法およびレーザー発振特性の向上方法 (2021)
  • 発明者名: シン センコウ, 松島 敏則, 安達 千波矢
  • 権利者名: シン センコウ, 松島 敏則, 安達 千波矢
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-542782
• [産業財産権] ELECTRICALLY DRIVEN ORGANIC SEMICONDUCTOR LASER DIODE, AND METHOD FOR PRODUCING SAME (2021)
  • 発明者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 権利者名: Atula S. D. Sandanayaka, et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: CN113615016
  • 外国
• [産業財産権] 有機エレクトロルミネッセンス素子および化合物 (2021)
  • 発明者名: 松島 敏則、他
  • 権利者名: 松島 敏則、他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-507287
• [産業財産権] 分解抑制剤、薄膜、レーザー発振素子およびレーザー色素の分解抑制方法 (2021)
  • 発明者名: 松島 敏則、他
  • 権利者名: 松島 敏則、他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特再公表WO20/130086
  • 外国