デバイスレス有機薄膜太陽電池性能予測診断システムの開発

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25288084
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 佐伯 昭紀 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10362625)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 太陽電池 / マイクロ波分光 / 時間分解 / 白色光 / 共役高分子 / フラーレン / 有機薄膜太陽電池

研究実績の概要

デバイスレスXe-flash TRMCシステムを駆使して、高効率太陽電池実現のための新たな高分子材料とフラーレン材料の設計・合成を行った。これまでにイソインディゴ（IDG）の類似体であるチエノイソインディゴ（TIDG）を開発し、高分子太陽電池へ展開したが、長波長吸収のトレードオフとして励起子寿命が短くなり、拡散長の低下と太陽電池効率の低下を引き起こした。そこで、IDGとTIDGの両者を非対称に結合させたベンゾチエノイソインディゴ基（BTIDG）を設計し、新規高分子を合成した。2次元微小角X線回折の結果から、この高分子単膜は95%にも上る最高クラスのface-on配向度を示した。太陽電池効率は4.2%まで向上し、BTIDG骨格の優れた電子受容性とホール輸送特性、さらには太陽電池への有効性を実証した。
また、5－7員環を有するスピロ（チオ）アセタール基に注目し、可溶性フラーレンSAFn、STAFn（n = 5－7）を設計・合成した。溶媒中では（チオ）アセタール構造の柔軟性が十分な溶解性を確保しつつ、膜中ではフラーレン間の隙間に折りたたまれるように密に充填され効率的な電子輸送が可能となる設計に基づいている。さらに、2つの（チオ）アセタール基は電子供与性基として作用し、LUMO準位を上昇させ開放電圧の向上が期待できる。加えて、高収率かつ簡便な2段階合成法により系統的に誘導体を合成できるため、分子構造と光電変換機能における正確な性能支配因子を詳細に検討した。このような戦略のもと、スピロ（チオ）アセタール化フラーレンの開発と、光電変換特性とそれに関連する電気化学、表面形状、結晶構造を系統的に明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] CSIR-NIIST(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: CSIR-NIIST
• [雑誌論文] Hole-Transporting Materials with a Two-Dimensionally Expanded π-System around an Azulene Core for Efficient Perovskite Solar Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Nishimura, N. Ishida, A. Shimazaki, A. Wakamiya, A. Saeki, L. T. Scott, and Y. Murata
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 ページ: 15656-15659
  • DOI: 10.1021/jacs.5b11008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular engineering of benzothienoisoindigo copolymers allowing highly preferential face-on orientations (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ide, A. Saeki, Y. Koizumi, T. Koganezawa, and S. Seki
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 3 ページ: 21578-21585
  • DOI: 10.1039/c5ta05885f
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Study of Photoelectric Conversion in Benzotrithiophene-Based Conjugated Semiconducting Polymers (2015)
  • 著者名/発表者名: E. Al-Naamani, M. Ide, A. Gopal, A. Saeki, I. Osaka, and S. Seki
  • 雑誌名: J. Photopolym. Sci. Tech. 巻: 28 ページ: 605-610
  • DOI: 10.2494/photopolymer.28.605
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modulation and evaluation of the charge carrier mobility in a polymer alloy of polythiophene and an insulating matrix with an electron accepting molecule (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Fukumatsu, A. Saeki, and S. Seki
  • 雑誌名: Polym. Chem. 巻: 6 ページ: 5860-5868
  • DOI: 10.1039/C5PY00796H
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the role of local charge carrier mobility in the charge separation mechanism of organic photovoltaics (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshikawa, A. Saeki, M. Saito, I. Osaka, and S. Seki
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 17 ページ: 17778-17784
  • DOI: 10.1039/C5CP01604E
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pressure Modulation of Backbone Conformation and Intermolecular Distance of Conjugated Polymers Toward Understanding the Dynamism of π-Figuration of their Conjugated System (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Noguchi, A. Saeki, T. Fujiwara, S. Yamanaka, M. Kumano, T. Sakurai, N. Matsuyama, M. Nakano, N. Hirao, Y. Ohishi, and S. Seki
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 119 ページ: 7219-7230
  • DOI: 10.1021/jp5100389
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hetero Bis-Addition of Spiro-Acetalized or Cyclohexanone Ring to 58π Fullerene Impacts Solubility and Mobility Balance in Polymer Solar Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Mikie, A. Saeki, N. Ikuma, K. Kokubo, and S. Seki
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 7 ページ: 12894-12902
  • DOI: 10.1021/acsami.5b02456
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stereochemistry of Spiro-Acetalized [60]Fullerenes: How the Exo and Endo Stereoisomers Influence Organic Solar Cell Performance (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Mikie, A. Saeki, Y. Yamazaki, N. Ikuma, K. Kokubo, and S. Seki
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 7 ページ: 8915-8922
  • DOI: 10.1021/acsami.5b01818
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spiro-1,3-dioxolanofullerenes with Low-lying LUMO Level for Organic Solar Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Mikie, A. Saeki, N. Ikuma, K. Kokubo, and S. Seki
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 44 ページ: 282-284
  • DOI: 10.1246/cl.141008
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] New Efficient (Thio)acetalized Fullerene Monoadducts for Organic Solar Cells: Characterization Based on Solubility, Mobility Balance, and Dark Current (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Mikie, A. Saeki, H. Masuda, N. Ikuma, K. Kokubo, and S. Seki
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 3 ページ: 1152-1157
  • DOI: 10.1039/c4ta05965d
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 高分子・フラーレン太陽電池の性能支配因子 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐伯昭紀
  • 学会等名: 異分野融合ワークショップ「有機太陽電池開発の現場と展望」
  • 発表場所: 奈良先端大学、奈良
  • 年月日: 2015-11-27 – 2015-11-27
  • 招待講演
• [学会発表] Device-less Evaluation of Organic/Perovskite Photovoltaics Towards Improving their Efficiencies (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Saeki
  • 学会等名: The 2nd ANGEL Symposium
  • 発表場所: Yamagata City, Japan
  • 年月日: 2015-11-04 – 2015-11-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マイクロ波分光によるデバイスレス有機太陽電池開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐伯昭紀
  • 学会等名: 次世代有機太陽電池シンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京秋葉原サテライトキャンパス、東京
  • 年月日: 2015-09-29 – 2015-09-29
  • 招待講演
• [学会発表] Charge Carrier Dynamics in Organic/Inorganic Semiconductors Evaluated by Microwave Technique (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Saeki
  • 学会等名: 7th East Asia Symposium on Functional Dyes and Advanced Materials
  • 発表場所: Osaka City, Osaka
  • 年月日: 2015-09-02 – 2015-09-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ペロブスカイト太陽電池の光電気物性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐伯昭紀
  • 学会等名: 光反応･電子用材料研究会
  • 発表場所: 東京理科大学 森戸記念館、東京
  • 年月日: 2015-07-17 – 2015-07-17
  • 招待講演
• [備考] Researcher ID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/B-7756-2011
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~saeki/cmpc/