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2015 年度 実績報告書

電子機能性共役高分子の科学に基づく高分子薄膜太陽電池の開発

研究課題

研究課題/領域番号 26288060
研究機関京都大学

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)

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)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
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
研究実績の概要

電子機能性共役高分子は、有機薄太陽電池の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。

本年度は、①過渡吸収分光測定により、共役高分子の相分離薄膜に対して電荷分離・再結合過程を評価し、光電流生成の起源である自由電荷生成過程の詳細を明らかに。また、②光・電子機能を分担した共役高分子の三元相分離膜を用いる高効率薄膜太陽電池の設計指針を確立し、その効果を実証することに成功した。具体的成果は次に述べるとおりである。
・熱アニールによる相分離の進行に伴い、光電変換特性が向上する薄膜試料に対して過渡吸収分光測定を行ない、高効率化の起源を素過程の段階から評価した。熱アニール後の膜では、生成電荷の対再結合が抑制され、電極に回収可能な長寿命電荷(自由電荷)の生成効率が増加することを明らかにした。また、共役高分子鎖の結晶化など、自由電荷生成効率の向上につながる相分離の構造的要因を特定することができた。
・光吸収波長が相補的な関係を示す共役高分子の三元相分離膜を用いることで、広帯域かつ高効率光捕集を実現し、従来の二元相分離系を超えるエネルギー変換効率を達成した。また、三元相分離系の動作機構を明らかにし、本設計指針の有用性を学術論文や学会等で発表した。

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

共役高分子薄膜系の過渡吸収測定では、光励起により生成する一重項励起子、三重項励起子、正孔、電子など、過渡種のスペクトル帰属が困難を極めると予想されていた。本研究では、これら帰属の問題を克服し電荷種の生成ダイナミクスの評価と解析に十分な実験期間をあてることができた。超高速過渡吸収分光法により、自由電荷生成効率の違いを明らかにできたことで、高効率光電変換に支配的な素過程を明確に特定し議論できるようになった。一方で、高効率自由電荷生成に特徴的な相分離界面の電子的、構造的要件の特定については次年度も引き続き検討を続ける必要があると考えられる。

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通りに進める。

最終年度の到達目標は、「共役高分子の三元相分離膜を用いた高効率薄膜太陽電池の開発」である。本年度は、光電流の向上を実現する三元相分離系の設計指針を得ることができた。今後はこの成果をベースに、光電流や光起電力、電荷輸送能の全てを同時に向上できる三元相分離膜の構造を明確にし、適切な共役高分子材料の選択と、高次相分離構造の制御により、高効率高分子薄膜太陽電池の創出をめざす。

次年度使用額が生じた理由

当初は、分子量などの分子特性が均一な共役高分子試料の作製を目的に、分取GPCシステムの導入を予定していた。しかしながら、分子量制御された試料を別途購入することが可能になったため、本年度の購入計画を変更した。市販試料を購入することで、分取GPCシステムの導入と立ち上げに要する時間を三元相分離系の実験にあてることができ、研究計画の加速につながった。また、相分離構造解析の実験を加速させるために、現有の走査型プローブ顕微鏡(SPM-9600)の測定精度を向上させる必要が生じた。そこで、当初の使用予定を変更し、SPM装置の改良費用に一部を使用した。

次年度使用額の使用計画

高効率三元相分離膜の構造と電子物性評価を実現するために、電流計測原子間力顕微鏡に関連する計測システムを追加、改良する必要があり、そのための費用に使用する。また、三元相分離系の目的に則した、分子量、結晶化度を有する共役高分子試料の購入に使用する。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Recent Research Progress of Polymer Donor/Polymer Acceptor Blend Solar Cells2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Benten, Daisuke Mori, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
    • 雑誌名

      J. Mater. Chem. A

      巻: 4 ページ: 5340-5365

    • DOI

      10.1039/C5TA10759H

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-Performance Ternary Blend All-Polymer Solar Cells with Complementary Absorption Bands from Visible to Near-Infrared Wavelengths2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Benten, Takaya Nishida, Daisuke Mori, Huajun Xu, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
    • 雑誌名

      Ener. & Environ. Sci.

      巻: 9 ページ: 135-140

    • DOI

      10.1039/C5EE03460D

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Nanostructures for Efficient Hole Transport in Poly(3-hexylthiophene) Film: A Study by Conductive Atomic Force Microscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito, Hiroki Ogawa, Toshiji Kanaya
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 119 ページ: 24307-24314

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b08237

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Highly Efficient Exciton Harvesting and Charge Transport in Ternary Blend Solar Cells Based on Wide- and Low-Bandgap Polymers2015

    • 著者名/発表者名
      Yanbin Wang, Hideo Ohkita, Hiroaki Benten, Shinzaburo Ito
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 17 ページ: 27217-27224

    • DOI

      10.1039/c5cp05161d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electron Transport Nanostructures of Conjugated Polymer Films Visualized by Conductive Atomic Force Microscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kondo, Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
    • 雑誌名

      ACS Macro Lett.

      巻: 4 ページ: 879-885

    • DOI

      10.1021/acsmacrolett.5b00352

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 電子ドナー性と電子アクセプター性共役高分子で創る高効率全高分子型薄膜太陽電池2016

    • 著者名/発表者名
      辨天宏明、森大輔、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子太陽電池の機構解明と高効率化2016

    • 著者名/発表者名
      大北英生、辨天宏明、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] 電流計測原子間力顕微鏡で明らかにする共役高分子薄膜の電荷輸送構造2016

    • 著者名/発表者名
      尾坂 美樹、近藤 祐也、辨天 宏明、大北 英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 共役高分子/フラーレンブレンド薄膜における電荷対再結合機構2015

    • 著者名/発表者名
      山本航平、川村 大地、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第34回固体・表面光化学討論会
    • 発表場所
      宇都宮大学(栃木県宇都宮市)
    • 年月日
      2015-12-03 – 2015-12-04
  • [学会発表] 電流計測原子間力顕微鏡でみる共役高分子薄膜のナノ電子構造2015

    • 著者名/発表者名
      伊藤紳三郎、尾坂美樹、辨天宏明、大北英生
    • 学会等名
      日本化学繊維研究所 第73回講演会
    • 発表場所
      京都大学(京都府京都市)
    • 年月日
      2015-11-10
  • [学会発表] 電流計測原子間力顕微鏡を用いて明らかにする共役高分子ブレンド相分離薄膜のナノ電荷輸送特性2015

    • 著者名/発表者名
      尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第64回高分子討論会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2015-09-15 – 2015-09-17
  • [学会発表] 共役高分子の三元ブレンド膜で創る高効率全高分子型薄膜太陽電池2015

    • 著者名/発表者名
      辨天宏明、西田貴哉、森大輔、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] 高分子太陽電池における電荷生成・再結合のエネルギーギャップ依存性2015

    • 著者名/発表者名
      齋藤宗祐、和泉谷勇太、大北英生、辨天宏明、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] 共役高分子/フラーレンブレンド系の電荷対再結合2015

    • 著者名/発表者名
      山本航平、川村 大地、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] 高分子太陽電池における近赤外光の捕集技術2015

    • 著者名/発表者名
      大北英生
    • 学会等名
      京都大学テックコネクト(新技術説明会)2015
    • 発表場所
      京都大学(京都府京都市)
    • 年月日
      2015-09-11
    • 招待講演
  • [学会発表] 過渡吸収分光測定で明らかにする高分子/高分子ブレンド薄膜太陽電池の相分離ナノ構造と自由電荷生成2015

    • 著者名/発表者名
      辨天宏明、石田翔大、森大輔、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学(大阪府大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] Development of Highly Efficient Polymer Solar Cells Composed of Polymer Donor and Acceptor2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Benten, Daisuke Mori, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
    • 学会等名
      12th International Symposium on Functional π-Electron Systems
    • 発表場所
      Seattle (USA)
    • 年月日
      2015-07-19 – 2015-07-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Growth of Highly Conductive Nanodomains in Poly(3-hexylthiophene) Films Studied by Conductive Atomic Force Microscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Miki Osaka, Hiroaki Benten, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
    • 学会等名
      12th International Symposium on Functional π-Electron Systems
    • 発表場所
      Seattle (USA)
    • 年月日
      2015-07-19 – 2015-07-24
    • 国際学会
  • [学会発表] 電子 Donor/Acceptor 共役高分子ブレンド薄膜太陽電池における高効率自由電荷生成機構2015

    • 著者名/発表者名
      松永宏樹、石田翔大、森大輔、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第61回高分子研究発表会(神戸)
    • 発表場所
      兵庫県民会館(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2015-07-17
  • [学会発表] Influence of Nanoscale Morphology on the Charge Generation Dynamics and Photovoltaic Performance in Efficient Polymer/Polymer Blend Solar Cells2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Benten, Daisuke Mori, Hideo Ohkita, Shinzaburo Ito
    • 学会等名
      EMN Qingdao Meeting
    • 発表場所
      Qingdao (China)
    • 年月日
      2015-06-14 – 2015-06-17
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 電流計測原子間力顕微鏡を用いて明らかにする共役高分子ブレンド薄膜の相分離ドメイン組成とナノ電荷輸送特性2015

    • 著者名/発表者名
      尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第64回高分子学会年次大会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2015-05-27 – 2015-05-29
  • [学会発表] 電流計測原子間力顕微鏡により明らかにする電子acceptor性共役高分子薄膜のミクロ電子輸送特性2015

    • 著者名/発表者名
      近藤祐也、尾坂美樹、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第64回高分子学会年次大会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2015-05-27 – 2015-05-29
  • [学会発表] 共役高分子の三元ブレンド膜で創る高効率高分子薄膜太陽電池2015

    • 著者名/発表者名
      西田貴哉、辨天宏明、森大輔、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第64回高分子学会年次大会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2015-05-27 – 2015-05-29
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池における高効率励起子捕集2015

    • 著者名/発表者名
      玉井康成、久詰修平、王艶賓、辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第64回高分子学会年次大会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2015-05-27 – 2015-05-29
  • [学会発表] 過渡吸収分光測定で明らかにする全高分子型薄膜太陽電池における相分離ナノ構造と自由電荷生成2015

    • 著者名/発表者名
      辨天宏明、森大輔、大北英生、伊藤紳三郎
    • 学会等名
      第64回高分子学会年次大会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2015-05-27 – 2015-05-29
  • [図書] 先端 有機半導体デバイス―基礎からデバイス物性まで―2015

    • 著者名/発表者名
      辨天宏明、大北英生、伊藤紳三郎
    • 総ページ数
      526
    • 出版者
      オーム社
  • [備考] 伊藤研究室HP

    • URL

      http://www.photo.polym.kyoto-u.ac.jp/

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公開日: 2017-01-06  

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