Development of innovative solar cells based on bulk photovoltaic effect of ferroelectric pi-conjugated liquid crystals

基于铁电π共轭液晶体光伏效应开发创新太阳能电池

• 批准号: 21H01904
• 负责人: 舟橋 正浩
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Kagawa University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01904/
• 关键词: バルク光起電力効果; 強誘電性液晶; 液晶性半導体; 強誘電体; 有機エレクトロニクス; 電界発光; 太陽電池; 拡張π電子共役系; バルクヘテロ接合; 有機薄膜太陽電池; フラーレン; バルク光起電力効果; 強誘電性液晶; 液晶性半導体; 強誘電体; 有機エレクトロニクス; 電界発光; 太陽電池; 拡張π電子共役系; バルクヘテロ接合; 有機薄膜太陽電池; フラーレン

本年度は、バルク光起電力効果を発現する分子凝集構造を明らかにするため、下記の検討を行った。同一の左右非対称なπ電子共役系に二つの乳酸部位が結合した構造を有するジアステレオマーを合成し、これらの化合物の液晶性と電子物性を比較した。二つのジアステレオマーのうち、(S,S)体が強誘電性で、分極誘起電界発光とバルク光起電力効果を示した。もう一方のジアステレオマーである(S,R)体はバルク光起電力効果、および、分極誘起電界発光を示さなかった。(S,R)体の液晶相ではクロモフォアが層法線に対して平行であるのに対して、(S,S)体の液晶相ではクロモフォアが層法線に対して45度傾く。一軸配向した試料では偏光電界発光がみられ、ポーリング電圧の極性を反転させると、偏光面が90度回転する。白色光を照射すると光起電力が発生し開放電圧は1 Vを超える。これらの結果は、キラルな分子が層法線から傾くことにより相の対称性が破れて分極が発生することを示している。AFMによる薄膜の表面観察においては、分極相では特徴的なドメイン構造がみられ、分子の微細な凝集構造とマクロな分極の間に相関性があることが示唆された。本成果に関連した論文はBCSJの優秀論文に選出された。また、バルク光起電力効果の分光感度を長波長側に延長するため、π電子系の拡張を検討した。クインケチオフェンコアに二つの乳酸エステル部位が結合した化合物を合成した。この化合物は、強誘電層であるキラルスメクティックC相と分子が層法線から傾いた高次のスメクティック相を示した。キラルスメクティック相に直流電圧を印加し、高次相へ冷却することにより、高次相において分極を固定することができた。高次相においてバルク光起電力効果が観測され、分光感度は630 nmにまで拡大することができた。また、エネルギー変換効率は0.7％に、フィルファクターは0.67に達した。

今年，进行了以下研究，以阐明表现出大量光伏作用的分子聚集结构。合成了具有两个乳酸位点与相同非对称π电子共轭系统结合的结构，并比较了这些化合物的液晶特性和电子性能。在两个非对映异构体中，（s，s）体为铁电并表现出极化引起的电致发光和大量光伏效应。另一个非对映异构体（S，R）体显示没有散装的光伏效应或极化引起的电致发光。在（S，R）体的液晶相中，发色团平行于层正常，而在（S，S）体的液晶相中，相对于层正常，发色团倾斜了45度。在单次取向的样品中观察到极化的电致发光，并且当电压电压的极性逆转时，极化平面旋转90度。当用白光照射时，会产生光伏功率，并且开路电压超过1V。这些结果表明，手性分子从正常的层倾斜，导致相对称性破裂和极化发生。当使用AFM观察薄膜的表面时，偏振相显示了独特的结构域结构，表明分子的细胞聚集结构与巨孔化之间存在相关性。与此结果相关的论文被选为BCSJ的出色论文。另外，为了扩展大量光伏效应的光谱灵敏度向长波长侧，研究了π电子系统的扩展。合成了一个化合物，其中两个乳酸酯位点与奎因克乙烯芯结合。该化合物表现出手性近晶型C相，铁电层和一个高阶近晶相，其中分子从正常层倾斜分子。通过将直流电压施加到手性近晶相位并将其冷却到更高阶段，可以在高阶阶段固定偏振。在高阶期间观察到了大量的光伏效应，并且光谱灵敏度可以提高到630 nm。此外，能量转化效率达到0.7％，填充因子达到0.67。