ドナー/アクセプター型ブロックコポリマーによる構造制御と有機薄膜太陽電池への応用

使用供体/受体型嵌段共聚物进行结构控制及其在有机薄膜太阳能电池中的应用

基本信息

批准号：
10J55112
负责人：
宮西将史
金额：
$ 0.9万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

現在有機薄膜太陽電池では、活性層として電子ドナーとアクセプターの物理混合構造(バルクヘテロ接合)が広く用いられている。光電変換過程では励起子の電荷分離と、分離した電荷の輸送が重要で、ドナーとアクセプターの相分離を20m程度に制御する必要がある。しかし、単純な物理混合では混合形態の合理的制御は困難で、様々なプロセスの中で偶然に制御された構造を利用しているのが現状である。また、この構造では熱をかけると相分離形態が変化して素子が劣化するという問題が避けられない。そこで、分子設計により合理的に、光電変換に有利でかつ熱的にも安定な混合形態を得る手法論の確立を志向して、本研究ではフラーレン連結半導体ブロックコポリマーの設計を行い、混合に頼らず、この分子のみでドナーとアクセプターのナノスケールの相分離構造を自発的に構築することを考えた。前年までにフラーレン連結ブロックコポリマーの自己組織化を用いることで極めて熱的に安定な構造を構築した。しかし、厚膜を作製すると光電変換効率が低下し、薄膜中で依然として電荷の再結合が起こっていることが明らかとなった。この原因として薄膜中のフラーレンの連結性が悪いことが考えられたため、分子構造の最適化を行い、フラーレンをより1つのブロックドメインに高密度に連結した分子を合成することに成功した。その結果、より厚膜を作製してもFFが低下せず、高い外部量子効率(EQE)とFFを同時に達成すること成功した。一般に、P3HT/PCBMの系は物理混合系(バルクヘテロ接合)の中でも非常にうまく機能している系であるが、フラーレン連結ブロックコポリマーを用いてP3HT/PCBMの系と同等となるFFとEQEを達成したことから、本手法が物理混合に置き換わるような新たな構造制御の手法となることを示せたといえる。本手法をさらに発展させることで将来的には物理混合の系を凌駕する構造を得ることが可能だと思われる。

目前，在有机薄膜太阳能电池中，电子给体和受体的物理混合结构（体异质结）被广泛用作有源层。在光电转换过程中，激子的电荷分离和分离电荷的传输很重要，需要将施主和受主之间的相距控制在20 m左右。然而，单纯的物理混合很难合理控制混合形态，目前的情况是各种过程中都采用随机控制的结构。此外，在该结构中，存在如下不可避免的问题：当施加热时，相分离图案发生变化并且元件劣化。因此，在本研究中，我们设计了一种富勒烯连接的半导体嵌段共聚物，旨在建立一种通过分子设计合理获得有利于光电转换的热稳定混合形式的方法。 -仅使用该分子的供体和受体的分离结构。到前一年，我们通过利用富勒烯连接的嵌段共聚物的自组装构建了极其热稳定的结构。然而，很明显，当制成厚膜时，光电转换效率降低，并且在薄膜中仍然发生电荷复合。其原因被认为是薄膜中富勒烯的连接性较差，因此他们优化了分子结构，成功合成了一种富勒烯更密集地连接到一个块域的分子。结果，即使我们制作更厚的薄膜，我们也成功地同时实现了高外量子效率（EQE）和FF，而不会降低FF。一般来说，P3HT/PCBM系统是物理混合系统（本体异质结）中运行良好的系统，但我们使用富勒烯连接的嵌段共聚物实现了与P3HT/PCBM系统相当的FF和EQE，因此，它可以是。表示，这种方法已被证明是一种可以替代物理混合的新型结构控制方法。通过进一步发展这种方法，相信未来将有可能获得超越物理混合系统的结构。