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2014 年度 実施状況報告書

電子スピン角運動量保存則による有機太陽電池の磁気伝導効果

研究課題

研究課題/領域番号 26410088
研究機関新潟大学

研究代表者

生駒 忠昭  新潟大学, 自然科学系, 教授 (10212804)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード電子スピン角運動量保存 / 磁気伝導効果 / 有機太陽電池 / キャリア動力学 / 電荷再結合 / 一重項開裂 / トラップ反応
研究実績の概要

元素戦略に合致したグリーンイノベーションが求められる近年、有機太陽電池は安価で低環境負荷型の再生可能エネルギー利用素子として注目されている。有機太陽電池の高性能化とって、ナノ空間における光キャリ反応の制御は中心的命題である。抑制法開発のためには、素子におけるキャリア反応の“その場観測”が重要であるが、複雑な積層構造をもつ素子で起こる動力学を調べる有力な測定手段がない。本研究では、エネルギー・電子移動反応におけるスピン角運動量保存則に基づいた新しいキャリア観測法を開発し、有機太陽電池のキャリア動力学を明らかにすることを目的にしている。下記の内容を実施することで、有機太陽電池の暗状態および明状態で観測される磁気伝導効果の機構を解明し、素子の内部で起こるキャリア素過程を明らかにできる新しい定量的分析法を開発する。

1. ペンタセン/C60のp/n接合太陽電池を対象に、素子特性に対する高磁場実験を行い、三重項-二重項対機構を明らかにする。
2. バルクヘテロ接合太陽電池における標準試料ポリチオフェン(P3HT)/フラーレン誘導体(PCBM)混合系について、p/n接合太陽電池と同様な実験を行い、磁気伝導効果の一般性を明らかにする。
3. 外場を取り入れた拡散方程式(現象論的方程式)およびLiouville方程式(量子論的方程式)を用いて、ナノ空間における電荷およびスピン動力学のモデル計算を行う。実験結果と理論計算を比較することで、定量的評価法を確立する。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ペンタセン/C60のPN接合太陽電池を対象にした磁気伝導効果の研究に関して、予想以上の進展がみられた。暗状態ならびに明状態における磁気伝導効果からキャリアダイナミクスについて考察した研究成果を投稿論文にまとめることができた。本論文は高効率太陽電池開発における基礎研究であるが、磁気伝導計測の非破壊型評価法としてのポテンシャルに着目し、定量的解析に成功した点が本論文の最も独創的なところである。約1%という小さな再結合収率を評価することができことを明らかにした。また、励起子とキャリアの衝突に由来するトラップ反応、さらには励起子-励起子対を遷移状態にもつ一重項励起子解裂反応に関して半定量的解析を行った。本論文は、磁気伝導効果が励起子・キャリア動力学について定量的議論を可能にする新しいデバイス評価技術であることを初めて示すことに成功した。

今後の研究の推進方策

ポリチオフェン(P3HT)/フラーレン誘導体(PCBM)混合系を用いた標準的バルクヘテロ接合太陽電池について、p/n接合太陽電池と同様な実験を行い、磁気伝導効果の一般性を明らかにする。しかしながら、最近、イスラエルの研究グループ(Devir-Wolfman A. H., Khachatryan B., Gautam B. R., Tzabary L., Keren A., Tessler N., et al. Short-lived Charge-transfer Excitons in Organic Photovoltaic Cells Studied by High-field Magneto-photocurrent. Nature Communications 2014, 5: 4529.)によってバルクヘテロ接合太陽電池の類似研究が発表されたため、当初の研究計画を多少変更する必要がある。発表された論文によると、高磁場磁気伝導効果は二重項-二重項対機構に由来すると帰属されている。一方、申請者らは、上述の論文と合致しない結果を得ており、磁気伝導効果以外の新しい分析手法の開発も含めて本課題を進めてゆく。

次年度使用額が生じた理由

344円の消耗品(実験用ラベル)の購入が年度末であったため、支払が会計年度を越えた。

次年度使用額の使用計画

消耗品購入のためにすでに使用した。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (17件) (うち招待講演 3件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Long-Distance Sequential Charge Separation at Micellar Interface Mediated by Dynamic Charge Transporter: A Magnetic-Field Effect Study2015

    • 著者名/発表者名
      T. Miura, K. Maeda, H. Murai, T. Ikoma
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 6 ページ: 267-271

    • DOI

      10.1021/jz502495u

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanism of Intersystem Crossing of Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecules2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ogiwara, Y. Wakikawa, T. Ikoma
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 119 ページ: 3415-3418

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.5b02253

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Carrier Dynamics in Pentacene|C60 Bilayer Solar Cell Investigated through the Magnetoconductance2014

    • 著者名/発表者名
      T. Omori, Y. Wakikawa, T. Miura, Y. Yamaguchi, K. Nakayama, and T. Ikoma
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C.

      巻: 118 ページ: 28418-28424

    • DOI

      10.1021/jp508799j

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 有機太陽電池材料における磁気伝導効果2014

    • 著者名/発表者名
      生駒 忠昭, 脇川 祐介
    • 雑誌名

      日本磁気学会第196回研究会資料

      巻: - ページ: 27-32

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 時間分解磁気光伝導測定法を用いた有機薄膜における光伝導研究2014

    • 著者名/発表者名
      脇川 祐介, アンベクリストファー, 生駒 忠昭
    • 雑誌名

      光化学

      巻: 45 ページ: 64-71

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] 有機太陽電池におけるキャリアスピン動力学2015

    • 著者名/発表者名
      生駒忠昭
    • 学会等名
      大阪大学分子技術イニシアティブセミナー「分子技術とスピン」
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2015-03-17 – 2015-03-18
    • 招待講演
  • [学会発表] P3HT-PCBM太陽電池における磁気伝導効果の起源2015

    • 著者名/発表者名
      東海林 良太・尾森 拓也・脇川 祐介・三浦 智明・生駒 忠昭
    • 学会等名
      第5回 新潟大学自然系附置グリーンケミストリー連携教育研究センター 研究シンポジウム
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2015-03-17 – 2015-03-17
  • [学会発表] 薄膜中の白金錯体を含む分子内電子移動系におけるスピン動力学2015

    • 著者名/発表者名
      宮路希生、三浦 智明、岡田惠二、生駒 忠昭
    • 学会等名
      第5回 新潟大学自然系附置グリーンケミストリー連携教育研究センター 研究シンポジウム
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2015-03-17 – 2015-03-17
  • [学会発表] Diphenylhexatriene結晶における一重項開裂の磁場効果の計算2015

    • 著者名/発表者名
      脇川祐介、生駒 忠昭
    • 学会等名
      一重項解裂研究会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-03-13 – 2015-03-15
  • [学会発表] Morphorogy Dependence of Carrier Dynamics in P3HT Thin Film Studied by Magnetoconductance and Magnetocapacitance Effects2015

    • 著者名/発表者名
      S. Akaishi, C. E. Ambe, Y. Wakikawa, T. Miura, and T. Ikoma
    • 学会等名
      Chemistry Seminar in Joint Seminar and Research Camp program on Natural Sciences (JSRC2015)
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2015-03-05 – 2015-03-05
  • [学会発表] Photoconduction of Benzimidazoline Thin Films2015

    • 著者名/発表者名
      K. Uchida, S. Akaishi, Y. Wakikawa, T. Miura, T. Ohta, E. Hasegawa, and T. Ikoma
    • 学会等名
      Chemistry Seminar in Joint Seminar and Research Camp program on Natural Sciences (JSRC2015)
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2015-03-05 – 2015-03-05
  • [学会発表] 熱活性遅延蛍光分子の項間交差2014

    • 著者名/発表者名
      荻原 俊成・脇川 祐介・生駒 忠昭
    • 学会等名
      第2回機器分析センター研究会
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2014-12-09 – 2014-12-09
  • [学会発表] Magnetoconductance in Photoconductive Thin Films of Perylene Bisimide2014

    • 著者名/発表者名
      E. Ambe, Y. Wakikawa, S. Yagai, and T. Ikoma
    • 学会等名
      Joint Conference of APES (Asia-Pacific EPR/ESR Society) 2014-IES (International EPR(ESR) Society)-SEST (The Society of Electron Spin Science and Technology) 2014
    • 発表場所
      奈良
    • 年月日
      2014-11-12 – 2014-11-16
    • 招待講演
  • [学会発表] Study on Magnetophotoconductance in Fullerene-Based Diode2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Wakikawa, T. Omori, and T. Ikoma
    • 学会等名
      Joint Conference of APES (Asia-Pacific EPR/ESR Society) 2014-IES (International EPR(ESR) Society)-SEST (The Society of Electron Spin Science and Technology) 2014
    • 発表場所
      奈良
    • 年月日
      2014-11-12 – 2014-11-16
  • [学会発表] Magnetoconductance of Pentacene|C60-bilayaer Solar Cell2014

    • 著者名/発表者名
      T. Omori, Y. Wakikawa, T. Miura, Y. Yamaguchi, K. Nakayama, and T. Ikoma
    • 学会等名
      Joint Conference of APES (Asia-Pacific EPR/ESR Society) 2014 -IES (International EPR(ESR) Society)-SEST (The Society of Electron Spin Science and Technology) 2014
    • 発表場所
      奈良
    • 年月日
      2014-11-12 – 2014-11-16
  • [学会発表] Annealing Effect on Photocarrier Dynamics in P3HT Thin Film Studied by Time-resolved Magnetophotoconductance Measurements2014

    • 著者名/発表者名
      S. Akaishi, C. E. Ambe, Y. Wakikawa, T. Miura and T. Ikoma
    • 学会等名
      Joint Conference of APES (Asia-Pacific EPR/ESR Society) 2014-IES (International EPR(ESR) Society)-SEST (The Society of Electron Spin Science and Technology) 2014
    • 発表場所
      奈良
    • 年月日
      2014-11-12 – 2014-11-16
  • [学会発表] Time-resolved Magnetophotoconductance Study on Carrier Dynamics in Low-dimensional Molecular Assembly of Hexabenzocoronene2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Wakikawa, T. Ikoma, Y. Yamamoto and T. Fukushima
    • 学会等名
      5th International Meeting on Spins in Organic Semiconductors
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2014-10-13 – 2014-10-17
  • [学会発表] Carrier Dynamics in Organic Solar Cells Explored through the Magnetoconductance Effect2014

    • 著者名/発表者名
      T. Omori, Y. Wakikawa, T. Miura, Y. Yamaguchi, K. Nakayama, and T. Ikoma
    • 学会等名
      5th International Meeting on Spins in Organic Semiconductors
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2014-10-13 – 2014-10-17
  • [学会発表] Substituent Effects on the Photocarrier Dynamics in Benzimidazoline Thin Films2014

    • 著者名/発表者名
      K. Uchida, S. Akaishi, Y. Wakikawa, T. Miura, T. Ohta, E. Hasegawa, and T. Ikoma
    • 学会等名
      5th International Meeting on Spins in Organic Semiconductors
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2014-10-13 – 2014-10-17
  • [学会発表] 非イオン性二分子膜界面における光誘起電子移動反応に対する巨大磁場効果2014

    • 著者名/発表者名
      三浦 智明・生駒 忠昭
    • 学会等名
      2014年光化学討論会
    • 発表場所
      札幌
    • 年月日
      2014-10-11 – 2014-10-13
  • [学会発表] バルクヘテロ接合太陽電池における磁気伝導とキャリア動力学2014

    • 著者名/発表者名
      東海林 良太・尾森 拓也・脇川 祐介・三浦 智明・生駒 忠昭
    • 学会等名
      2014年光化学討論会
    • 発表場所
      札幌
    • 年月日
      2014-10-11 – 2014-10-13
  • [学会発表] 有機太陽電池材料の磁気伝導効果2014

    • 著者名/発表者名
      生駒 忠昭、脇川 祐介
    • 学会等名
      日本磁気学会 第196回研究会 有機/分子磁性材料の現状と今後の展開
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-05-16 – 2014-05-16
    • 招待講演
  • [図書] 光化学の事典2014

    • 著者名/発表者名
      生駒 忠昭 (分担執筆)
    • 総ページ数
      436
    • 出版者
      朝倉書店

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公開日: 2016-05-27  

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