| 研究課題/領域番号 |
26288060
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
伊藤 紳三郎 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50127049)
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| 研究分担者 |
大北 英生 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50301239)
辨天 宏明 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60422995)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | エネルギー変換 / 有機薄膜太陽電池 / 機能性高分子 / 共役高分子 / 高分子相分離 / 電荷分離 / 電荷再結合 |
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| 研究実績の概要 |
電子機能性共役高分子は、有機薄膜太陽電池のp型半導体、n型半導体として優れた潜在能力を有するにもかかわらず、学術的な基礎研究の遅れにより、期待される成果を上げられずにいる。本研究では、共役高分子という新しい電子機能材料に対して、“ナノ構造からマクロな機能”に至る道筋を明確に実証し、得られる知見に基づき高効率な高分子薄膜太陽電池の実現を目指している。
初年度は、機能発現の鍵となる10-20 nmの空間スケールで共役高分子薄膜の構造と電子的特性を解明する新規手段として、電流計測原子間力顕微鏡(C-AFM)を用いた測定・解析手法を確立した。具体的成果は次に述べるとおりである。
・優れた正孔輸送材料であるポリ（3-ヘキシルチオフェン）（P3HT）に対して、ミクロな正孔輸送特性とその空間分布を20 nmの分解能で可視化することに成功し、薄膜内に平均サイズ100 nm程度の高導電性ドメインが形成されていることを見出した。その結果、高沸点溶媒の使用や熱アニール処理等の製膜条件によってマクロな電荷輸送特性が向上する原因を、高導電性ナノドメインの成長に結び付けて議論できるようになった。
・大気中においても安定な電子注入電極を作製することで、C-AFMを用いてn型共役高分子の電子輸送特性をナノメートルスケールで評価することに成功した。p型, n型両高分子材料の電子的特性評価を実現できたことで、太陽電池の発電層であるp/n高分子ブレンド膜の相分離構造を解析し、明らかにできるようになった。
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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
初年度の研究達成目標は、「共役高分子の分子物性と相分離構造の相関を明らかにすることで、物性値から最適構造を予測し、制御する指針を確立する」ことである。
相分離の構造評価に関しては、透過型電子顕微鏡(TEM)やAFM表面形態測定といった、従来の手法では困難であったナノスケールでの構造を、C-AFMを用い明らかにできるようになったことは、極めて大きな進展であると位置づけている。また、次年度に予定しているレーザー分光測定・解析に関しても、すぐにでも実施可能な状況を整えることができたことから、当初予定の計画通り研究が進むものと判断した。
一方で、分子量や位置規則性など、分子特性を均一化した共役高分子試料の作製と物性評価に関しては、当初の目標達成には至っていない。分取GPC、最沈殿分別等によって均一な試料を取得し、NMR、DSC、接触角測定、分光分析による物性評価を次年度に進めたい。
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| 今後の研究の推進方策 |
大幅な研究計画の変更なく、おおむね当初の予定どおりに進める。
C-AFM、X線散乱測定を中心に薄膜構造解析を進め、相分離構造を明確にした試料に対してレーザー分光測定を実施し、光電変換を担う光物理素過程を解析する。これら各素過程の反応速度、反応収率が相分離形態、結晶性等により、いかに影響を受けるかを系統的に明らかにすることで、高効率化を実現するために必要な構造的要因について明確な指針を得る。
研究の役割分担としては、全体の統括を伊藤が行ない、レーザー分光測定・解析は大北が分担、相分離薄膜の作製と構造評価は辨天が分担することで、効率的に進めたい。初期2年間の基盤研究により、高効率化を目指すために必要な構造的要因と最適化構造の形成を可能にする共役高分子の分子特性について明確な指針を得る。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
共役高分子の分子量分別を行う目的で、専用の高温ハロゲン仕様のGPCシステムを研究初年度に導入する予定でいた。しかしながら、研究の進展状況から薄膜構造評価手法の確立を優先的に進めることにしたため、関連する備品・消耗品の導入・購入時期を次年度に繰り越した。
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| 次年度使用額の使用計画 |
分子量や位置規則性などの分子特性が均一な試料の作製に必要となる、分取GPCシステムの導入と共役高分子材料の購入に使用する。得られた試料に対して、当初の研究計画に従い、構造評価とレーザー分光測定による光電変換素過程の解明とを進めたい。
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