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2021 年度 実績報告書

テラヘルツ分光法による有機太陽電池の動的エキシトンと電荷キャリアの計測と解析

公募研究

研究領域動的エキシトンの学理構築と機能開拓
研究課題/領域番号 21H05396
研究機関神戸大学

研究代表者

太田 薫  神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 学術研究員 (30397822)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
キーワード時間分解テラヘルツ分光法 / 有機薄膜太陽電池 / 電荷キャリア / 励起子 / 移動度
研究実績の概要

我々はこれまで、本研究領域の山田グループ、小堀グループと共同でジケトピロロピロール連結テトラベンゾポルフィリン(DPP-BP)とフラーレン誘導体(PCBM)との低分子系バルクヘテロ接合型(BHJ)薄膜試料について、時間分解テラヘルツ分光法、時間分解過渡吸収法により励起子や電荷分離状態、電荷キャリアのダイナミクスについて調べてきた。これまでの研究からのアルキル鎖長が4のC4-DPP-BP:PCBM BHJ太陽電池の光電変換効率は5.2 %となり、鎖長が10のC10-DPP-BP:PCBMの場合(0.19 %)よりも大幅に向上していることが分かっている。テラヘルツ光を用いた測定では、C4-DPP-BPとC10-DPP-BP BHJ薄膜試料で電荷キャリアの移動度に違いが観測されなかった。この結果は、電荷キャリアの局所的な移動度が分子配列やモルフォロジーに大きく依存しないことを意味している。また、これまでの研究の多くはn型有機半導体として、フラーレン誘導体を用いたものが大半であり、近年注目を集めている非フラーレン系アクセプターを用いたBHJ薄膜試料に適用した研究例はない。我々は時間分解テラヘルツ分光法により、PBDB-T:ITIC、PBDB-T:Y6 BHJ薄膜試料の電荷キャリアダイナミクスを測定した。現在、測定に適した成膜条件や励起光強度依存性の測定などを検討している。

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

これまで、ジケトピロロピロール連結テトラベンゾポルフィリンを中心とした低分子系バルクヘテロ接合型(BHJ)薄膜試料の電荷キャリアダイナミクスについて研究を行ってきた。この研究で得られた結果は今年度、論文や総説として発表することができ、研究はおおむね順調に進展している。また、これまで時間分解テラヘルツ分光法による研究例のなかった非フラーレン系アクセプターを用いたBHJ薄膜試料の測定も行うことができ、興味深い結果を得ることができた。

今後の研究の推進方策

今後は非フラーレン系アクセプターを用いたバルクヘテロ接合型薄膜試料を中心に、成膜条件の検討を行い、励起光強度依存性の測定などを行うことにより、電荷キャリアダイナミクスの詳細について明らかにしていく。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Physical Properties and Low-Frequency Polarizability Anisotropy and Dipole Responses of Phosphonium Bis(fluorosulfonyl)amide Ionic Liquids with Pentyl, Ethoxyethyl, or 2-(Ethylthio)ethyl Group2023

    • 著者名/発表者名
      Ando Masatoshi、Ohta Kaoru、Ishida Tateki、Koido Ryohei、Shirota Hideaki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 127 ページ: 542~556

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c07466

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Slow spectral diffusion of the NO stretching mode of [RuCl<sub>5</sub>(NO)]<sup>2?</sup> in D<sub>2</sub>O studied by 2D-IR spectroscopy and molecular dynamics simulations2023

    • 著者名/発表者名
      Fujii Yuki、Aikawa Kyoko、Tayama Jumpei、Banno Motohiro、Ohta Kaoru、Tominaga Keisuke
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 158 ページ: 134510~134510

    • DOI

      10.1063/5.0139133

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Microscopic Structures, Dynamics, and Spin Configuration of the Charge Carriers in Organic Photovoltaic Solar Cells Studied by Advanced Time-Resolved Spectroscopic Methods2022

    • 著者名/発表者名
      Ohta Kaoru、Tominaga Keisuke、Ikoma Tadaaki、Kobori Yasuhiro、Yamada Hiroko
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 38 ページ: 7365~7382

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c00290

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonpolymer Organic Solar Cells: Microscopic Phonon Control to Suppress Nonradiative Voltage Loss via Charge-Separated State2022

    • 著者名/発表者名
      Nagatomo Takaaki、Vats Ajendra K.、Matsuo Kyohei、Oyama Shinya、Okamoto Naoya、Suzuki Mitsuharu、Koganezawa Tomoyuki、Fuki Masaaki、Masuo Sadahiro、Ohta Kaoru、Yamada Hiroko、Kobori Yasuhiro
    • 雑誌名

      ACS Physical Chemistry Au

      巻: 3 ページ: 207~221

    • DOI

      10.1021/acsphyschemau.2c00049

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Charge carrier dynamics in bulk heterojunction organic thin films studied by time-resolved terahertz spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Ohta, Hiroko Yamada, and Keisuke Tominaga
    • 学会等名
      pLED International Symposium 2023: Exploring Invisible Light Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] 紫外光ポンプ光THz波プローブによる励起子‐フォノン相互作用の解明2023

    • 著者名/発表者名
      太田 薫
    • 学会等名
      2022年度福井大学遠赤外領域開発研究センター共同研究成果報告会
  • [学会発表] Time-Reversal Focusing of Ultrashort Pulses through Thin Scattering Media with a Combination of Wavefront and Pulse Shaping Techniques2022

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Ohta
    • 学会等名
      OPIE2022, Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy
    • 国際学会
  • [学会発表] Probing Charge Carrier Dynamics in Porphyrin-Based Bulk Heterojunction Thin Films with Time-Resolved Terahertz Spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Ohta, Mitsuharu Suzuki, Hiroko Yamada, and Keisuke Tominaga
    • 学会等名
      241st ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 散乱体透過条件下での超短パルス光の時間反転波面制御2022

    • 著者名/発表者名
      太田 薫
    • 学会等名
      神戸大学次世代光散乱イメージング科学研究センターキックオフシンポジウム
  • [学会発表] 時間分解テラヘルツ分光法で観るポルフィリン系有機薄膜太陽電池の電荷キャリアダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      太田 薫、鈴木 充朗、山田 容子、富永 圭介
    • 学会等名
      2022年 光化学討論会
  • [学会発表] 散乱体透過条件下での超短パルス光の時間反転波面制御法の開発と応用に向けた展開2022

    • 著者名/発表者名
      太田 薫
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2022
    • 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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