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2022 年度 実績報告書

電子ドナー/アクセプター界面における究極的に「無駄」の無い電荷分離の実現

研究課題

研究課題/領域番号 21H02012
研究機関京都大学

研究代表者

玉井 康成  京都大学, 工学研究科, 助教 (30794268)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード電荷分離 / 電荷移動 / 電荷解離 / 有機薄膜太陽電池 / 過渡吸収分光
研究実績の概要

有機薄膜太陽電池の現在のstate-of-the-art系であるドナーにPM6、アクセプターにY6を用いたPM6/Y6素子は励起状態とCT状態のエネルギーオフセットが0.1 eV程度しかないにも関わらず効率よく電荷生成することが知られている。そこでPM6/Y6ブレンド薄膜について過渡吸収分光測定を行い、電荷生成メカニズムを検討し た。
過渡吸収データに含まれる微弱な過渡電場吸収信号の時間発展を詳細に解析した結果、この系ではCT状態が自由電荷に解離するのに10 ps程度の時間を要している ことがわかった。また電荷解離効率は温度に依存しないことから、既存のOnsagerモデル、Ballistic電荷分離モデルのどちらとも異なる機構で電荷分離している ことがわかった。基底状態褪色信号のピーク位置の時間発展からこの系では材料が結晶化することで界面近傍にポテンシャルエネルギー勾配が形成され、この勾配を電荷がダウンヒル緩和することで電荷解離していることがわかった。 また、Y6とほぼ同じ化学構造でありながらわずかにHOMOが浅いY5をアクセプターに用いたPM6/Y5素子を作製し、光電変換特性を評価したところ、光電変換効率が低下した。電荷分離効率を詳細に解析したところ、この系では界面での電荷移動およびCT状態の解離効率のいずれも低下していることが明らかとなった。

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

過渡吸収分光を用いた電荷分離ダイナミクスの解明についてはやや計画を上回るペースで進行している。一方、再結合発光の観測については、コロナ禍の影響により機器の納入遅れが生じたため、昨年度までで予定していた測定がまだ完了していない。

今後の研究の推進方策

モデル系として引き続きPM6/Y6およびその誘導体を用いたPMn/Yn系を用いて分光測定を行う。種々のPMn/Ynブレンド膜について過渡吸収測定を行い、電荷分離・ 対再結合ダイナミクスを検討する。 二分子再結合ダイナミクスについては過渡吸収分光法では追跡できないため、iCCDを用いた再結合発光観測により再結合ダイナミクスの評価を検討する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Delocalization suppresses nonradiative charge recombination in polymer solar cells2022

    • 著者名/発表者名
      Natsuda Shin-ichiro、Saito Toshiharu、Shirouchi Rei、Imakita Kenta、Tamai Yasunari
    • 雑誌名

      Polymer Journal

      巻: 54 ページ: 1345~1353

    • DOI

      10.1038/s41428-022-00685-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Triplet sensitization via charge recombination at organic heterojunction for efficient near-infrared to visible solid-state photon upconversion2022

    • 著者名/発表者名
      Sakamoto Yuji、Izawa Seiichiro、Ohkita Hideo、Hiramoto Masahiro、Tamai Yasunari
    • 雑誌名

      Communications Materials

      巻: 3 ページ: 76

    • DOI

      10.1038/s43246-022-00300-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Unlocking the Full Potential of Polymer-Based Solid-State Photon Upconversion2022

    • 著者名/発表者名
      Sakamoto Yuji、Tamai Yasunari
    • 雑誌名

      ECS Journal of Solid State Science and Technology

      巻: 11 ページ: 121005~121005

    • DOI

      10.1149/2162-8777/acab84

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Charge generation in organic solar cells: Journey toward 20% power conversion efficiency2022

    • 著者名/発表者名
      Tamai Yasunari
    • 雑誌名

      Aggregate

      巻: 3 ページ: e280

    • DOI

      10.1002/agt2.280

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] What's Next for Organic Solar Cells? The Frontiers and Challenges2022

    • 著者名/発表者名
      Tamai Yasunari
    • 雑誌名

      Advanced Energy and Sustainability Research

      巻: 4 ページ: 2200149~2200149

    • DOI

      10.1002/aesr.202200149

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 電子ドナー・アクセプター界面におけるオフセットレス電荷分離2022

    • 著者名/発表者名
      玉井康成
    • 学会等名
      2022年光化学討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Cascaded Energy Landscape As a Key Driver for Slow Yet Efficient Charge Separation with Small Energy Offset in Organic Solar Cells2022

    • 著者名/発表者名
      Yasunari Tamai
    • 学会等名
      241st ECS meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Charge separation with small energy offset at donor:acceptor interface2022

    • 著者名/発表者名
      Yasunari Tamai
    • 学会等名
      ICNME2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非フラーレン高分子太陽電池における高効率光電変換とエネルギー損失の関係2022

    • 著者名/発表者名
      城内嶺, 齊藤俊晴, 夏田慎一朗, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第31回ポリマー材料フォーラム
  • [学会発表] 非晶性高分子太陽電池における電荷移動状態からの電荷生成2022

    • 著者名/発表者名
      齊藤隼人, 北尾陽輝, 奥山拓夢, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 非フラーレン系高分子太陽電池における高効率電荷生成とエネルギー損失の関係2022

    • 著者名/発表者名
      城内嶺, 齋藤俊晴, 夏田慎一郎, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 低エネルギー損失高分子太陽電池における電荷再結合による三重項励起子生成2022

    • 著者名/発表者名
      山田尚平, 城内嶺, 夏田慎一朗, 齋藤俊晴, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第68回高分子研究発表会(神戸)
  • [学会発表] 非フラーレン高分子太陽電池における高効率光電変換とエネルギー損失の関係2022

    • 著者名/発表者名
      城内嶺, 齊藤俊晴, 夏田慎一朗, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第71回高分子学会年次大会

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公開日: 2023-12-25  

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