有機半導体超薄膜のイオン分極制御と高効率光電変換に関する研究

超薄有机半导体薄膜离子偏振调控及高效光电转换研究

基本信息

批准号：
13750267
负责人：
伊東栄次
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではイオン性不純物を微量添加した高分子系有機EL素子について、前処理として加熱処理と電界処理を行うことでイオン分極を形成させることでキャリア注入制御が可能となり、有機EL素子の駆動電圧を20V以上であったものを10から15V、30%から50%と大幅に低減させるだけでなく、電流に対する輝度特性(EL効率)が10倍以上増加することを見出した。特に、添加するイオンとしては電位窓が広い化学的に安定な材料が望ましい。例えば、添加するイオン対のカチオンをLi^+から(C_2H_5)_4N^+などの比較的大きな代表的支持電解質塩に変えると、分極による特性向上の持続時間が数時間のオーダーであったものが数100日から数年のオーダーに大幅に向上し、実用レベルの有機EL素子への適用が可能であることも本研究によりはじめて見出された。なお、一連の分極効果は100℃程度で熱処理により消去可能で、再び分極形成すれば何度でも再現可能である。すなわち、本研究の遂行により有機半導体素子に微量のイオン性不純物ドーピングとその後の分極処理により、容易に電流から光への変換効率を大幅に向上可能であることが明らかとなった。また、N型酸化物半導体である酸化チタン上に吸光係数が大きなP型有機半導体膜(色素)を膜厚100nm程度となるように形成した新規PN接合型光電変換素子についても検討した。吸光係数が大きなP型色素の多くは移動度が低く吸収スペクトル幅も狭いために、擬似太陽光に対する電力効率は0.001%にも満たない低いものであった。そこで、高い正孔移動度を有する正孔輸送材料とP型色素をブレンドし、さらに上記イオン性不純物をドーピングしたところ0.01%以上(単色光に対する量子収率は3%以上)まで効率が向上し、イオン分極処理との併用によりさらなる特性向上が実現できた。また、色素をポルフィリン系材料からレーザ色素として知られるクマリン系に変えることでブレンド層が効果的なバルクヘテロ接合となり、単色光の量子収率11%、擬似太陽光での電力効率も0.2%まで向上し有機太陽電池実現への期待が高まった

在这项研究中，我们对掺杂有少量离子杂质的聚合物基有机EL器件进行了热处理和电场处理作为预处理，以形成离子极化，从而可以控制载流子注入，并且它们不仅显着降低了载流子注入。将电压从20V以上提高到10～15V，降低30%～50%，还发现相对于电流的亮度特性（EL效率）提高了10倍以上。特别地，期望待添加的离子是具有宽电势窗口的化学稳定材料。例如，当添加的离子对的阳离子从Li^+变为较大的代表性支持电解质盐如(C_2H_5)_4N^+时，由于极化而导致的性能改善的持续时间为数个量级。但这项研究还首次发现，这一过程所需的时间从数百天显着缩短至几年，并且可以应用于实用级有机EL器件。注意，这一系列的偏振效应可以通过约100℃的热处理来消除，并且可以通过再次形成偏振来再现任意次数。换句话说，这项研究表明，通过在有机半导体器件中掺杂少量离子杂质并进行后续的偏振处理，可以大大提高从电流到光的转换效率。我们还研究了一种新型PN结光电转换元件，其中在作为N型氧化物半导体的氧化钛上形成了具有大消光系数的P型有机半导体膜（染料）至约100nm的厚度。许多消光系数大的P型染料迁移率低，吸收谱宽窄，因此针对模拟太阳光的功率效率较低，小于0.001%。因此，通过将具有高空穴迁移率的空穴传输材料与P型染料共混并掺杂上述离子杂质，效率提高至0.01%以上（单色光的量子产率超过3%）。通过将其与离子极化处理相结合来实现特性。此外，通过将染料从卟啉基材料改为香豆素基材料（称为激光染料），混合层成为有效的本体异质结，将单色光的量子产率提高到11%，并将模拟中的功率效率提高对有机太阳能电池实现阳光照射0.2%的期望有所提高。