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2011 年度 実施状況報告書

量子ビームによる有機薄膜太陽電池のエネルギー損失機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23760276
研究機関筑波大学

研究代表者

櫻井 岳暁  筑波大学, 数理物質系, 講師 (00344870)

研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2013-03-31
キーワード有機薄膜太陽電池 / 放射光 / 量子ビーム / エネルギー損失 / 界面電荷移動
研究概要

(1)鉛フタロシアニン薄膜のエネルギー損失過程の観測 単斜晶、三斜晶を作り分けた鉛フタロシアニン薄膜太陽電池のデバイス特性を計測すると、三斜晶構造の試料を用いた方が変換効率が60%ほど高いことを確認した。一方、これらの薄膜の蛍光寿命は170~220ピコ秒と寿命の変化が確認されなかった。ただし、低温に冷却すると蛍光強度は三斜晶の方が劇的に大きくなる。これより、鉛フタロシアニン薄膜におけるエネルギー失活のメカニズムは単斜晶と三斜晶で異なり、太陽電池特性に影響を及ぼすことが予想される。続いて、鉛フタロシアニン薄膜のエネルギー失活メカニズムを検証するため、XAFS法を用いた解析に着手した。まず、連続放射光源を用いたXAFS解析より、動径構造関数がフタロシアニンの分子構造と対応することを確認した。続いて全反射条件で入射光を試料に照射し蛍光XAFSの測定を行うと、膜厚5 nmと極めて薄いフタロシアニン薄膜でも信号検出も行えることを確認した。今後、さらにXAFS解析を高精度化し、光学遷移と対応する構造遷移過程を捉えることを目指す。(2)有機薄膜太陽電池界面の共鳴オージェ電子分光 有機薄膜太陽電池の特性に多大な影響を及ぼす有機/金属界面の電荷移動ダイナミクスの検出に共鳴オージェ電子分光を用いた。まず、カルバゾール構造異性体における有機/金属間相互作用をXPS, NEXAFSにより検出した。カルバゾール構造異性体では構成元素が同一にもかかわらず界面相互作用が劇的に変化し、これにより界面電気二重層の大きさが0.7 eVも変化することを確認した。相互作用を支配する因子としては分子の共鳴安定構造と立体因子が挙げられる。一方、これらの系に共鳴オージェ電子分光を観測したところ、オーム性接触の実現する系で非常に速い(10 fs未満)電荷移動信号を検出した。今後、電荷移動速度のデバイス特性への影響を探る。

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

(1)鉛フタロシアニン薄膜のエネルギー損失過程の観測に関しては、研究計画通り進行している。動径構造関数がフタロシアニンの分子構造と対応することを確認した点と、膜厚5 nmと極めて薄いフタロシアニン薄膜でも信号検出も行えることを確認した点は、XAFS解析が有機薄膜太陽電池の解析にも十分適用可能なことを示した結果と言える。ただ、目標とする構造遷移過程を捉えるには、さらなるブレイクスルーが必要である。次年度以降より精密なXAFS解析に着手したい。(2)有機薄膜太陽電池界面の共鳴オージェ電子分光に関しては、研究計画を超える成果が得られている。特に、10fs未満の時間スケールの極めて速い電荷移動現象を捉えることに成功し、有機/金属界面の電荷注入効率等、デバイス物理の解明に寄与する知見が得られた点は意義がある。今後、この測定法の有機薄膜太陽電池への適用をさらに進め、有機/金属界面の詳細な物性解析、有機/有機界面でのエネルギー損失機構の解明に応用していきたい。

今後の研究の推進方策

(1)鉛フタロシアニン薄膜のエネルギー損失過程の観測に関しては、蛍光寿命の励起波長依存性を取り、分子の励起状態への励起効率を確認する。続いて、上記の結果を参照し光照射時のXAFS測定を観測し、光照射時の中心金属周りの構造変遷について確認する。また時間経過によるXAFS信号変化の計測も予定している。(2)有機薄膜太陽電池界面の共鳴オージェ電子分光に関しては、有機/金属界面での電荷移動メカニズム、ならびにキャリア注入効率に関する詳細な物理機構を構築する。これにより、有機薄膜太陽電池の電極界面でのデバイス物理をより明瞭なものにしていく。また、上記の結果を応用し、有機/有機界面の電荷移動速度の計測に応用していくことを予定している。

次年度の研究費の使用計画

蛍光寿命の励起波長依存性は、分子の励起効率の観測ならびにXAFS測定に不可欠である。このため、この測定に不可欠な分光器を平成24年3月下旬に納品した(4月に支払いとしたため、報告書上次年度使用額に含まれている)。平成24年度は、この分光器の光ファイバー結合システムの設置に不可欠な分光器設置ラック(15万円)を購入する。また、研究成果の海外での発表旅費に30万円ほど使用する。残りは有機材料等の消耗品に6万円ほど使用する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (12件)

  • [雑誌論文] Structural control of organic solar cells based on nonplanar metallophthalocyanine/C60 heterojunctions using organic buffer layers2011

    • 著者名/発表者名
      T. Sakurai, T. Ohashi, H. Kitazume, M. Kubota, T. Suemasu, K. Akimoto
    • 雑誌名

      Organic Electronics

      巻: 12 ページ: 966

    • DOI

      DOI:10.1016/j.orgel.2011.03.016

    • 査読あり
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池の構造・電子物性評価2012

    • 著者名/発表者名
      櫻井岳暁
    • 学会等名
      神奈川技術アカデミー 有機薄膜太陽電池セミナー(招待講演)
    • 発表場所
      神奈川技術アカデミー(川崎市)
    • 年月日
      2012.3.8
  • [学会発表] Gap states induced energy level alignment of2012

    • 著者名/発表者名
      王生浩,櫻井岳暁,黒田龍介,豊島晋,加藤博雄,秋本克洋
    • 学会等名
      平成24年春季 第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(新宿区)
    • 年月日
      2012.3.16
  • [学会発表] 分子構造の異なるカルバゾール系化合物における有機/金属界面電子物性2012

    • 著者名/発表者名
      櫻井岳暁, 王生浩, 黒田龍介, 間瀬一彦, 秋本克洋
    • 学会等名
      平成24年春季 第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(新宿区)
    • 年月日
      2012.3.16
  • [学会発表] 紫外光電子分光によるC60/BCP 界面の電子構造に関する研究2011

    • 著者名/発表者名
      黒田龍介,王生浩,豊島 晋,櫻井岳暁,加藤博雄,秋本克洋
    • 学会等名
      平成23年秋季 第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学(山形市)
    • 年月日
      2011.9.1
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池における界面制御と評価2011

    • 著者名/発表者名
      櫻井岳暁
    • 学会等名
      表面技術協会 第42回『ナノテク部会』研究会「クリーンエネルギー創製のためのナノ材料開発」(招待講演)
    • 発表場所
      産業技術総合研究所 臨海副都心センター別館(江東区)
    • 年月日
      2011.8.22
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池の概要~界面の話題を中心に~2011

    • 著者名/発表者名
      櫻井岳暁
    • 学会等名
      有機太陽電池研究会(招待講演)
    • 発表場所
      和歌山大学(和歌山市)
    • 年月日
      2011.7.28
  • [学会発表] Interface control of small molecule-based organic solar cells2011

    • 著者名/発表者名
      Takeaki Sakurai
    • 学会等名
      Workshops on Nanotechnology and Solar Cells & Green Chemical Processes and Materials(招待講演)
    • 発表場所
      Taisan, Taiwan
    • 年月日
      2011.6.18
  • [学会発表] Theoretical study of interaction between bathocuproine and various types of metals2011

    • 著者名/発表者名
      M.D.Bhatt, T.Sakurai, S.Suzuki, K.Akimoto
    • 学会等名
      E-MRS 2011 Spring Meeting
    • 発表場所
      Nice, France
    • 年月日
      2011.5.12
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池における界面物性2011

    • 著者名/発表者名
      櫻井岳暁, 秋本克洋
    • 学会等名
      第21回日本MRS学術シンポジウム(MRS-J)【セッションA】先端プラズマ技術が拓くナノマテリアルズフロンティア(招待講演)
    • 発表場所
      横浜開港記念会館(横浜市)
    • 年月日
      2011.12.21
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池の物性評価2011

    • 著者名/発表者名
      櫻井岳暁
    • 学会等名
      電子情報技術産業協会(JEITA)電子材料・デバイス技術専門委員会太陽電池技術分科会 第5回委員会(招待講演)
    • 発表場所
      JEITAビル(千代田区)
    • 年月日
      2011.12.19
  • [学会発表] ENERGY LEVEL ALIGNMENT OF Ca/BCP/C60 INTERFACES2011

    • 著者名/発表者名
      S. Wang, T. Sakurai, et al.,
    • 学会等名
      21st International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-21)
    • 発表場所
      シーホーク福岡(福岡市)
    • 年月日
      2011.12.1
  • [学会発表] Study on the electronic properties of C60 and bathocuproine interface using ultraviolet photoelectron spectroscopy2011

    • 著者名/発表者名
      S. Wang, T. Sakurai, et al.
    • 学会等名
      The 6th Japan-Sweden Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-VI)
    • 発表場所
      ホテルアローレ(加賀市)
    • 年月日
      2011.11.24

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公開日: 2013-07-10  

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