液晶有機半導体の配向制御とその応用による太陽電池の電子物性の解明

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24750188
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 赤池 幸紀 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員 (90581695)
• キーワード: 分子配向 / 有機太陽電池 / 電荷輸送 / 電荷生成

研究概要

バルクヘテロ接合型有機太陽電池の活性層内のドナーとアクセプターの相対配置については分かっていないが、アクセプターに対するポリマーの配向(またはその逆)は、ドナー／アクセプター間の距離・HOMO/LUMOのエネルギー・界面電子準位接続などに影響しうるため、電荷分離／再結合機構に与える因子を解明する上で重要である。今回の研究助成においては、下記のことを達成した。
1. 電荷分離／電荷抽出にはface-on配向が有利：P3HTの配向をラビングでedge-on配向からface-on配向に変え、積層型有機太陽電池の電流―電圧(I-V)特性と配向の異なるP3HT薄膜の物性の関連を詳細に調べた。face-on配向の素子では、フィルファクター(FF)が増加した。これは、face-on配向膜の高い移動度により、電荷輸送もしくは電荷抽出の効率が改善したと考えられる。また、蛍光の消光度は、face-onのほうが20 %大きいことが分かった。開放端電圧(Voc)はface-onでわずかに低くなる。今後、界面電子準位接続の精査を要すると思われる。
2. 光電変換界面における分子配向分布と太陽電池特性の相関を観測：太陽電池特性を改善する後処理として、熱アニールがよく行われる。我々は、PTB7を150度以上で加熱することで、π-πスタックの分布がOut-of-plane方向に揃い、よりface-on配向が強調されることを見出した。積層型太陽電池を作製し評価したところ、Jsc/FFが加熱により低下した。しかし、蛍光／吸収測定からは、励起子の生成／解離効率における違いを見出せなかった。電子移動吸収に対応する波長の単色光照射下でI-V測定を行った結果、加熱後に負バイアス側でkinkが観測された。これは、自由キャリアの生成効率が低下したことを意味する。

研究成果

• [雑誌論文] Correlation between energy level alignment and device performance in planar heterojunction organic photovoltaics (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Akaike and Y. Kubozono
  • 雑誌名: Org. Electron. 巻: volume:14 ページ: 1-7
  • DOI: DOI:10.1016/j.orgel.2012.09.025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tetrathiafulvalene Hybridized with Indacenetetraone as a Visible-Light-Harvesting Electron Acceptor Applicable to Bulk-Heterojunction Organic Photovoltaics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kouki Akaike, Hideo Enozawa, Takashi Kajitani, Mari Koizumi, Atsuko Kosaka, Daisuke Hashizume, Yoshiko Koizumi, Akinori Saeki, Shu Seki, Takanori Fukushima
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 42 ページ: 1417-1419
  • DOI: dx.doi.org/10.1246/cl.130702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure and surface morphology of [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester films (2013)
  • 著者名/発表者名: Ayumi Nogimura, Kouki Akaike, Rie Nakanishi, Ritsuko Eguchi, Kaname Kanai
  • 雑誌名: Organic Electronics 巻: 14 ページ: 3222-3227
  • DOI: dx.doi.org/10.1016/j.orgel.2013.09.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Side chain effect on electronic structure of spin-coated films of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester and its bis-adduct (2013)
  • 著者名/発表者名: Kouki Akaike, Kaname Kanai, Yuko Ouchi and Kazuhiko Seki
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 415 ページ: 31–35
  • DOI: dx.doi.org/10.1016/j.chemphys.2013.02.011
  • 査読あり
• [学会発表] 分子配向が異なるポリマー薄膜を用いた積層型有機太陽電池 (2013)
  • 著者名/発表者名: 赤池幸紀、但馬敬介
  • 学会等名: 第６２回高分子討論会
  • 発表場所: 石川県金沢市
  • 年月日: 20130911-20130913
• [学会発表] A New Non-fullerene Type Electron Acceptor for Organic Photovoltaics (2013)
  • 著者名/発表者名: Akaike, K.; Enozawa, H.; Koizumi, M.; Fukushima, T.; Aida, T
  • 学会等名: MRS Spring Meeting
  • 発表場所: サンフランシスコ・米国
  • 年月日: 20130401-20130405
• [備考] 研究代表者の成果発表用ホームページ
  • URL: http://koukisite.web.fc2.com/