2012 Fiscal Year Research-status Report
特異なパイ共役分子を基盤とする高効率有機薄膜太陽電池の開発
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23750223
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
安藤 伸治 独立行政法人理化学研究所, エネルギー変換研究チーム, 基幹研究所研究員 (10525348)
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| Keywords | 太陽電池 / 自己組織化 / 超分子化学 / 分子性固体 / 有機化学 |
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| Research Abstract |
本研究では、電子ドナー性およびアクセプター性機能団の集積構造を分子レベルでデザインし、高性能な光電変換材料の創製を目指している。本年度は、新奇なヘテロ環構造を有する平面電子アクセプターとしてIndancenetetraone骨格に二重結合を挟んでチオフェン環およびビチオフェン環を導入した化合物群を開発し、詳細な物性と構造の検討を行い、有機薄膜太陽電池への応用を試みた。その結果、サイクリックボルタンメトリと紫外可視吸収スペクトル測定により、これら化合物が、フラーレン誘導体と同様のLUMOエネルギー準位を有し、且つ可視部に大きな吸収を呈することを見出し、キャリア生成・電荷分離に最適な電子構造を持つことを明らかにした。またチオフェン環を導入した化合物においては、インジウムスズ酸化物（ITO）基板上に作製した銅フタロシアニンとの積層膜の斜入射X線回折でout-of-plane方向の測定を行ったところ、格子面間隔が3.34Aに帰属される回折ピークが広角側に観測され、フタロシアニン薄膜上でキャリア輸送に最適なface-on配向をとることを明らかにした。さらに、この化合物の電子輸送材料としての性能を評価するため、ドナー分子に銅フタロシアニンを用いて積層型薄膜太陽電池を作製し、擬似太陽光（AM1.5, 100 mW cm-2）照射下、大気曝露せずに太陽電池の評価を行ったところ、短絡電流密度（Jsc）= 1.07 mA cm-2, 開放端電圧（Voc）= 0.55 V, フィルファクター（FF）= 0.30, 変換効率（PCE）= 0.18 %の性能が観測され、新しい電子輸送材料の構造モチーフを提示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画当初の目的であった特異な電子ドナーおよび電子アクセプターの開発は順調に進んでおり、それら分子のコンホメーション解析や基礎物性の検討は終え、太陽電池の作成と性能評価に移行している。これまで、３次元構造を有する電子ドナー性のオルトフェニレン分子においては、自己集積化に基づいた特異的な光・電気化学的物性に関する研究成果が、２０１２年６月に米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載され、更に「JACS Spotlights」として取り上げられるなど、高い評価を得ている。一方、２次元構造を有する電子アクセプター分子においても、キャリアの生成と輸送および注入に適した電子構造と配向性が達成され、更に良好な太陽電池特性も観測されている。よって今後は、設計した分子の立体構造と分子間相互作用を最適化することにより、高効率なエネルギー変換を実現する有機半導体材料の創製が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに合成した電子ドナーおよび電子アクセプター分子群の立体構造と分子間相互作用を最適化し、電荷キャリア輸送特性および光電変換特性の向上を図る。固体材料中におけるキャリア移動度は、これまでと同様に、レーザーフラッシュフォトリシス時間分解マイクロ波電動度測定法およびTime Of Flight法を用いて評価し、これら分子群を活性層に用いた有機薄膜太陽電池を作成し、薄膜構造の評価と電池性能試験を行う。また新たに開発した化合物群は、デバイス作製により有用な高分子化のためのアプローチを検討する。上記の物性評価で得られた結果は、分子設計にフィードバックし、コンポーネント分子の最適化を施しながら特性向上を目指す。さらにこれら分子群は、有機薄膜太陽電池ばかりでなく有機電解効果トランジスタの活性層としても非常に有望であるため、ドナー／アクセプター混合系に限らず、単一成分を用いてトランジスタを作製し、その評価を行う。混合系では最近注目を集めている両極性トランジスタとして機能する可能性も高く、発光でバイスへの応用など包括的な見地に立った展開を図る。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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