近接場過渡吸収イメージング分光装置の開発と次世代有機太陽電池への応用

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25390061
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 研究機関: 独立行政法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 松崎 弘幸 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測フロンティア研究部門, 主任研究員 (80422400)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: フェムト秒過渡吸収分光 / 近接場光学顕微鏡 / 有機薄膜太陽電池 / バルクヘテロ接合

研究概要

本研究は、近接場顕微鏡技術を始めとする顕微分光技術とフェムト秒時間分解分光技術を組み合わせて、高い空間分解能を実現する過渡吸収イメージング分光装置の開発と有機薄膜太陽電池等への応用を主な目的とする。本年度は、励起光と検出光を独立に位置制御し、光励起種の時空間ダイナミクスを、高感度・高空間分解能・広時間領域で追跡可能なフェムト秒過渡吸収イメージング分光装置の開発を目指して、その要素技術の構築・システム開発を行った。これまでに、光学系配置の簡略化、レーザー本体内の共振器の高安定化、高性能AD変換器による雑音低下等の最適化によって、特に信号検出感度の観点で着実な進展を遂げ、既存装置の10倍以上の高感度化を達成して、世界最高レベルの微弱な光誘起吸光度変化(5×10-5以下)の計測に成功した｡一方これと並行して、観測時間領域の広域化に向けて、通常の光学遅延方式では困難な時間領域(>5 ns)での過渡吸収測定を可能にするために、光学遅延方式と融合する形で、新たにレーザーダイオード(連続光)を検出光源、高速フォトダイオードと高速オシロスコープを光検出器として導入し、光学系および検出系に組み込んだ｡また、励起光と検出光を独立に高精度に位置制御するために、検出光側の対物レンズのピエゾ可動ステージへの組み込みを行った｡さらに、試料観察用のCCDカメラの導入と付随する光学系の構築を行った｡これら個々の要素技術の開発を踏まえて、光学系および独自の測定ソフトウェア開発を含む信号処理系等の整備がほぼ完了の段階に到達しており、来年度以降、目標とする装置性能の達成とこれを踏まえた有機薄膜太陽電池等の実材料測定への適用を進めていく予定である。

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

フェムト秒過渡吸収イメージング分光装置の構築に向けて、光学系の整備と測定ソフトウェアの開発を重点的に行った。具体的には、検出光側の対物レンズをピエゾ駆動ステージで位置制御し、光学遅延ステージまたは高速光検出器・オシロスコープを用いて、時間分解能 200fs、時間領域100fs-100μsで過渡吸収信号を測定可能なソフトウェアを完成させることができた。また、本装置の信号検出感度の高感度性を活用して、有機薄膜太陽電池の光電変換過程の解析を行い、従来装置では困難であった微弱光照射下での有機薄膜太陽電池のフェムト秒過渡吸収計測を実現し、励起子寿命と拡散定数の定量評価、及び電荷分離過程と太陽電池性能の相関の明確化に成功しており、概ね順調に進捗している。

今後の研究の推進方策

現在、光学系および独自の測定ソフトウェア開発を含む信号処理系等の整備がほぼ完了の段階に到達しているが、目標とする空間分解能等の性能の実現・検証には至っていない。来年度以降は、この点に注力してシステム全体を近々に完成させ、実材料・デバイスに適用して行く予定である。

次年度の研究費の使用計画

当初、検出光平面スキャン用に高性能ガルバノメータースキャナの導入を検討していたが、使用する測定用機器(PCおよびソフトウエア）との互換性の不具合等により、その購入を見送ったため。
次年度においては、光学系を構築・完成する上で必要な各種光学素子を購入する。また、検出光測定用として、各種光検出器を購入する。また、研究成果を国内外の学会・研究会で発表するために、国内および外国旅費を使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Photocarrier dynamics in anatase TiO2 investigated by pump-probe absorption spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Matsuzaki, Yuta Matsui, Ryusuke Uchida, Hiroyuki Yada1, Tsubasa Terashige, B.-S. Li, Akihiro Sawa, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura, and Hiroshi Okamoto
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 115 ページ: 053514:1-8
  • DOI: 10.1063/1.4829456
  • 査読あり
• [雑誌論文] Excited-State dynamics in diketopyrrolopyrrole-based copolymer for organic photovoltaics investigated by transient optical spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Matsuzaki、Akihiro Furube、Ryuzi Katoh, Samarendra P. Singh, Prashant Sonar, Evan Laurence Williams, Vijila Chellappan, Gomathy Sandhya Subramanian, Sergey Gorelik, and Jonathan Hobley
  • 雑誌名: JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 53 ページ: 01AB11:1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.01AB11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relation between charge carrier mobility and lifetime in organic photovoltaics (2013)
  • 著者名/発表者名: Vijila Chellappan, Samarendra P. Singh, Evan Laurence Williams, Prashant Sonar, Almantas Pivrikas, Elumalai Naveen Kumar, Bronson Philippa, Gomathy Sandhya Subramanian, Ronald White, Sergey Gorelik, Jonathan Hobley, Akihiro Furube, Hiroyuki Matsuzaki, and Ryuzi Katoh
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 114 ページ: 184503:1-6
  • DOI: 10.1063/1.4829456
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge Separation and Recombination of Charge-Transfer Excitons in Donor–Acceptor Polymer Solar Cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Jun’ya Tsutsumi, Hiroyuki Matsuzaki, Naoyuki Kanai, Toshikazu Yamada, and Tatsuo Hasegawa
  • 雑誌名: JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C 巻: 117 ページ: 16769-16773
  • DOI: 10.1021/jp404094e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscale phase domain structure and associated device performance of organic solar cells based on a diketopyrrolopyrrole polymer (2013)
  • 著者名/発表者名: Evan L. Williams, Sergey Gorelik, InYee Phang, Michel Bosman, Chellappan Vijila, Gomathy Sandhya Subramanian, Prashant Sonar, Jonathan Hobley, Samarendra P. Singh, Hiroyuki Matsuzaki, Akihiro Furube, and Ryuzi Katoh
  • 雑誌名: RSC ADVANCES 巻: 3 ページ: 20113-20124
  • DOI: 10.1039/C3RA42636J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement of a Photoinduced Transition from a Nonordered Phase to a Transient Ordered Phase in the Organic Quantum-Paraelectric Compound dimethyltetrathiafulvalene dichlorodibromo -p-benzoquinone Using Femtosecond Laser Irradiation (2013)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Miyamoto, Kazuki Kimura, Takanori Hamamoto, Hirotaka Uemura, Hiroyuki Yada, Hiroyuki Matsuzaki, Sachio Horiuchi, and Hiroshi Okamoto
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 111 ページ: 187801:1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.187801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Smallest Optical Gap for Quasi-One-Dimensional Iodo-bridged Platinum Compounds (2013)
  • 著者名/発表者名: Minseob Shin, Shinya Takaishi, Shohei Kumagai, Yutaro Ueda, Brian K. Breedlove, Hiroyuki Matsuzaki, Hiroshi Okamoto, Yusuke Wakabayashi, and Masahiro Yamashita
  • 雑誌名: DALTON TRANSACTIONS 巻: 42 ページ: 6277-6280
  • DOI: 10.1039/C3DT32890B
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Design Rule of Phthalocyanine Dyes for Highly Efficient Near-IR Performance in Dye Sensitized Solar Cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Mutsumi Kimura, Hirotaka Nomoto, Hiroyuki Suzuki, Takuro Ikeuci, Hiroyuki Matsuzaki, Takuro N. Murakami, Dr. Akihiko Furube, Naruhiko Masaki, Matthew J. Griffith, and Shogo Mori
  • 雑誌名: CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL 巻: 19 ページ: 7496-7502
  • DOI: 10.1002/chem.201300716
  • 査読あり
• [学会発表] 亜鉛フタロシアニン錯体を用いた色素増感太陽電池における界面電子移動ダイナミクス
  • 著者名/発表者名: 松崎 弘幸、古部 昭広、村上 拓郎、正木 成彦、森 正悟、木村 睦
  • 学会等名: 光化学討論会
  • 発表場所: 愛媛大学城北地区
• [学会発表] 電荷移動錯体DBTTF-TCNQ結晶のフェムト秒ポンププローブ分光
  • 著者名/発表者名: 松崎 弘幸、堤 潤也、長谷川 達生
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス
• [学会発表] Femtosecond absorption spectroscopy of bulk heterojunction solar cells utilizing a diketopyrrolopyrrole polymer
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Matsuzaki、Akihiro Furube、Ryuzi Katoh, Samarendra P. Singh, Prashant Sonar, Evan Laurence Williams, Vijila Chellappan, Gomathy Sandhya Subramanian, Sergey Gorelik, and Jonathan Hobley
  • 学会等名: 第26回光化学に関する国際会議(ICP2013)
  • 発表場所: ルーヴァン・カトリッ ク大学(ベルギー王国ルーヴァン市)
• [学会発表] 可視-近赤外過渡吸収分光装置 ～色素増感太陽電池の開発に威力を発揮～
  • 著者名/発表者名: 松崎 弘幸
  • 学会等名: 第3回次世代ものづくり基盤技術産業展(TECH Biz EXPO 2013)
  • 発表場所: ボートメッセなごや
  • 招待講演
• [学会発表] 新規Diketopyrrolopyrrole系OPV材料の電荷再結合過程：高感度過渡吸収分光による検討
  • 著者名/発表者名: Ryuzi Katoh, Hiroyuki Matsuzaki, Akihiro Furube, Gomathy Sandhya Subramanian, Evan Laurence Williams, Vijila Chellappan, Sergey Gorelik, Jonathan Hobley and Samarendra P. Singh
  • 学会等名: 光化学討論会
  • 発表場所: 愛媛大学城北地区