高分子薄膜太陽電池におけるフラーレン誘導体の両極輸送機構の解明

阐明聚合物薄膜太阳能电池中富勒烯衍生物的双极输运机制

基本信息

批准号：
09J03604
负责人：
山本俊介
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

共役高分子であるpoly(ρ-phenylenevinylene)誘導体(MDMO-PPV)とフラーレン誘導体(PCBM)を用いたブレンド膜のマイクロ秒領域における過渡吸収測定を行った。その結果、フラーレン濃度が高い系では、電荷種として従来考えられてきた共役高分子正孔ポーラロン、フラーレンアニオンに加えて、さらにフラーレンカチオンも生成していることを見出した。すなわち、これまで電子輸送のみを担うと考えられてきたフラーレンが電子のみならず正孔をも輸送していることを分光的に初めて明らかにした。これは有機薄膜太陽電池におけるフラーレンの両極輸送性を実証した初めての例である。さらに上述のフラーレンカチオンの生成機構を解明するため、イオン化ポテンシャルの異なる種々の共役高分子を用いて、ナノ秒からミリ秒にわたる広時間帯域の過渡吸収分光法により電荷種の生成過程と分率の測定を行った。その結果、フラーレンカチオンは共役高分子からフラーレンへの正孔注入によって生成していることを明らかにした。また、フラーレンカチオンの平衡分率は用いる共役高分子のイオン化ポテンシャルの大きさによって決定されることから、正孔注入はフラーレンHOMO準位の広いバンド幅と大きな縮退度によって起きていることを明らかにした。この研究では、高分子薄膜太陽電池の光電変換機能において重要な役割を果たしている共役高分子/フラーレン接合界面での電荷の輸送機構を、過渡吸収分光法を駆使して解明してきた。このことは有機薄膜太陽電池では界面の物性が重要な役割を担っていることを示しており、有機トランジスタなどバルク物性が重要な役割を果たす他の有機電子デバイスとは異なる有機薄膜太陽電池のならではの特徴を示すことができた。この研究は高分子薄膜太陽電池の動作素過程に新たな物理的描像を与え、理解を深めるという学術上の成果のみならず、高分子薄膜太陽電池の設計指針を提示するという応用上寄与するところも少なくない。

使用聚合物共轭聚合物的聚（ρ-苯乙烯）衍生物（MDMO-PPV）和富勒烯衍生物（PCBM），在混合膜的微秒区域进行了瞬态吸收测量。结果，还发现，除了以前被认为是电荷物种的共轭聚合物孔极化物和富勒烯阴离子外，还产生了富勒烯阳离子。换句话说，首先是光谱揭示的，以前认为是电子传输的富勒烯，不仅是电子运输，而且还传输了电子。这是有机薄膜太阳能电池中富勒烯的双极传输特性的第一个例子。此外，为了澄清上述富勒烯阳离子的产生的机制，使用具有不同电离电位的各种共轭聚合物来测量电荷物种的产生过程和偏分的分数，通过使用宽量远程吸收光谱光谱范围从纳米环境到milliseconds。结果，据揭示了富勒烯阳离子是通过从共轭聚合物注入富勒烯的孔中产生的。此外，由于富勒烯阳离子的平衡部分取决于所使用的共轭聚合物的电离电位的大小，因此发现由于富勒烯同型均匀水平的较大带宽而发生了孔注射，并且会发生较大的变性水平。这项研究阐明了使用瞬态吸收光谱法，在聚合物薄膜太阳能电池的光电转换功能中起着重要作用，阐明了共轭聚合物/富勒烯交界界面的电荷传输机制。这表明界面性能在有机薄膜太阳能电池中起着重要作用，并且有可能证明有机薄膜太阳能电池的独特特性，这些特性与其他有机电子设备不同，在这些有机电子设备中，散装特性起着重要作用，例如有机晶体管。这项研究不仅有助于为聚合物薄膜太阳能电池的操作过程提供新的物理形象的学术成就，还加深了理解，还为研究的应用，提供了设计聚合物薄膜太阳能电池的指南。