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

In this study, we found that carrier injection control is possible by performing pretreatment of polymer-based organic EL devices in which a small amount of ionic impurities is added, by performing ion polarization by heating and electric field treatment as pretreatment, and not only is it significantly reduced from 10 to 15V, 30% to 50%, but also increases the brightness characteristic (EL efficiency) with respect to current by 10 times or more.特别是，在要添加的离子时，希望具有宽阔潜在窗口的化学稳定材料。例如，当添加离子对的阳离子从li^+更改为一个相对较大的典型支撑盐，例如（C_2H_5）_4n^+，由于极化而导致的属性改进的持续时间是几个小时的数小时，并且已经显着改善了几百天到数年的订单，从而使其可以使用它，从而可以使用它的工具，从而实现它的应用程序。可以在100°C左右的热处理中消除一系列极化效应，并且可以通过形成极化一次又一次地重现。也就是说，这项研究的实施表明，通过将少量离子杂质掺入有机半导体设备以及随后的极化处理中，可以轻松提高从电流到光的转化效率。我们还研究了一种新的PN连接型光电转换元件，其中P型有机半导体膜（染料）具有较大的灭绝系数，在氧化钛（N型氧化物半导体）上形成，其厚度约为100 nm。大多数具有较大灭绝系数的P型染料具有较低的迁移率和狭窄的吸收光谱宽度，因此伪太阳光的功率效率较低，小于0.001％。因此，当将具有高孔迁移率的孔传输材料与P型染料混合并与离子杂质进一步掺杂时，将效率提高到0.01％或更高（单色光的量子产率为3％或更多），并通过与离子极性处理结合使用该物业来进一步改善。此外，通过将染料从基于卟啉的材料更改为基于香豆素的染料，混合层实际上是一个批量的异质结，它将单色光量子产率提高到11％，伪 - 纳托雷的功率效率提高到0.2％，从而提高了有机太阳能电池实现的预期。