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2023 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
研究機関東京大学

研究代表者

玉井 康成  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (30794268)

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

有機薄膜太陽電池において現在最も研究が盛んな、ドナーにPM6、アクセプターにY6を用いたPM6/Y6素子は励起状態と電荷移動状態(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。次に、PM6およびY6とほぼ同じ構造でありながらHOMO準位の異なる種々のドナー、アクセプター材料を用いて素子を作成し光電変換特性を評価したところ、エネルギーオフセットが0 eVに漸近すると光電変換効率が急激に低下した。過渡吸収分光測定の結果から、オフセットの低下により電荷移動効率が低下しているだけでなく、CT状態の解離効率が大きく低下していることがわかった。これはオフセットがなくなることで、CT状態の解離過程における活性化障壁を越えることができなくなったことによると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Role of the energy offset in the charge photogeneration and voltage loss of nonfullerene acceptor-based organic solar cells2023

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

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 11 ページ: 17581~17593

    • DOI

      10.1039/D3TA01928D

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Charge Separation from Triplet Excited States in Nonfullerene Acceptor‐Based Organic Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Kohzuki Kazuki、Shirouchi Rei、Natsuda Shin-ichiro、Saito Toshiharu、Sakamoto Yuji、Tamai Yasunari
    • 雑誌名

      Solar RRL

      巻: 7 ページ: 2300359

    • DOI

      10.1002/solr.202300359

    • 査読あり
  • [雑誌論文] How to Interpret Transient Absorption Data?: An Overview of Case Studies for Application to Organic Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Tamai Yasunari、Murata Yasuhiro、Natsuda Shin‐ichiro、Sakamoto Yuji
    • 雑誌名

      Advanced Energy Materials

      巻: 14 ページ: 2301890

    • DOI

      10.1002/aenm.202301890

    • 査読あり
  • [学会発表] Charge Separation and Recombination in Polymer Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yasunari Tamai
    • 学会等名
      2023 Annual Spring Meeting of the Polymer Society Korea
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池における三重項励起状態ダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      上月一輝, 城内嶺, 夏田慎一朗, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第72回高分子学会年次大会
  • [学会発表] Ternary-Cascaded Triplet Energy Landscape for Solid-State Photon Upconversion2023

    • 著者名/発表者名
      Yasunari Tamai
    • 学会等名
      243rd ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] エネルギーカスケード構造を有する高分子/フラーレンブレンド膜における電荷生成ダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      加藤和真, 齊藤隼人, 福原友裕, 玉井康成, 尾坂格, 大北英生
    • 学会等名
      第69回高分子研究発表会(神戸)
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池における三重項励起状態からの電荷分離2023

    • 著者名/発表者名
      上月一輝, 城内嶺, 夏田慎一朗, 玉井康成, 大北英生
    • 学会等名
      第69回高分子研究発表会(神戸)

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公開日: 2024-12-25  

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