| 研究課題/領域番号 |
25286044
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| 研究機関 | 分子科学研究所 |
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研究代表者 |
平本 昌宏 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 教授 (20208854)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 有機半導体 / 超高速移動度 / 超バルクヘテロ接合 / 横取り出し / pn制御 / ホール効果 / 単結晶 / エピタキシャル成長 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、pn制御技術を、有機共蒸着膜に直接適用し、セルをドーピングのみで造り込み、タンデムセルを作製して高効率を目指す。H27年度、超高速キャリア移動度を示す有機半導体を用いて、有機単結晶薄膜作製、評価を行った。超高速ホール移動度有機半導体としてC8-BTBT、超高速電子移動度有機半導体としてペリレン誘導体(PICDI-C8)を用いた。サファイア単結晶基板上に蒸着すると、ステップがテンプレートとなり、両有機半導体ともに、ヘテロエピタキシャル成長して単結晶薄膜となることを、in-plane X線回折によって確認した。単結晶は、基板に平行な横方向に10 cm2/Vs に達する超高速移動度を示し、C8-BTBT単結晶薄膜では0.4 mm、PTCDI-C8単結晶薄膜では0.2 mmのミリメータオーダーの距離で、光生成ホールと電子を横方向にとりだすことに、有機セルでは初めて成功した。さらに、これらのホール・電子ハイウェーを組み合わせて、光生成したホール、電子を同時に横取り出しすることに成功した。この新コンセプトセルを「超バルクヘテロ接合セル」と命名した。この構造は、基板に平行な、横方向にキャリアを取り出すため、縦方向膜厚は輸送に無関係となり、限りなく厚くでき、全ての太陽光を吸収利用して、光電流を極限まで増大できる。このセルは、新型タンデムセルとみなすことができ、本基盤研究の目的達成のために利用できる。
さらに上記の単結晶薄膜に対して、ドーピングによるpn制御を行い、キャリア濃度、移動度を、ホール効果によって同時測定することに初めて成功した。このpn制御した単結晶薄膜を、上記の「超バルクへテロ接合セル」に組み込み効率向上を目指すことができる。
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| 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
光生成したホール、電子を同時にミリメータオーダーの長距離、横取り出しできるということは、縦方向膜厚は輸送に無関係となり限りなく厚くできることを意味し、タンデムセルと同様に、全ての太陽光を吸収利用して、光電流を極限まで増大できる効果をもたらす。この「超バルクヘテロ接合」は、学術的に全く新しいコンセプトである。また、ドーピングによるpn制御によって横取り出しをさらに効果的に行うことが期待できる。以上の成果によって、効率向上を目指すことができる。
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| 今後の研究の推進方策 |
H27年度の成果に基づき、ホール・電子ハイウェーを組み合わせた、超バルクヘテロ接合セルにおいて、ハイウェー膜厚を現在の17分子層から最終的には１分子層（モノレイヤー）まで減らす。界面を増やして、分子レベルの入れ子構造にしていくと、励起子解離が促進され光電流が増大することが予想できる。ドーピングによるpn制御によって横取り出しをさらに効率的に行なう。励起子拡散、解離、キャリア取り出し、再結合過程を定量的に明らかにして、最適のセル設計を行い、10%以上の効率向上を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
有機単結晶薄膜作製実験の結果、タンデムセル作製に非常に有効なミリメーターオーダーのキャリア横取り出しと、超バルクヘテロ接合セルの作製が可能なことが分った。そのため、研究期間を延長して、キャリア横取り出しセルと超バルクヘテロ接合セルを作製して詳細に評価することで、本基盤研究の目的であるタンデムセルの性能をより高効率にできることがほぼ明らかなため、延長を申請し、次年度使用額が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
横取り出しセル、超バルクヘテロ接合セルの作製、評価を行なう研究員の人件費、実験実施のための消耗品、論文投稿費として使用する。
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