電子ドナー/アクセプター界面における究極的に「無駄」の無い電荷分離の実現

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有機薄膜太陽電池の現在のstate-of-the-art系であるドナーにPM6、アクセプターにY6を用いたPM6/Y6素子は励起状態とCT状態のエネルギーオフセットが0.1 eV程度しかないにも関わらず効率よく電荷生成することが知られている。そこでPM6/Y6ブレンド薄膜について過渡吸収分光測定を行い、電荷生成メカニズムを検討し た。過渡吸収データに含まれる微弱な過渡電場吸収信号の時間発展を詳細に解析した結果、この系ではCT状態が自由電荷に解離するのに10 ps程度の時間を要している ことがわかった。また電荷解離効率は温度に依存しないことから、既存のOnsagerモデル、Ballistic電荷分離モデルのどちらとも異なる機構で電荷分離している ことがわかった。基底状態褪色信号のピーク位置の時間発展からこの系では材料が結晶化することで界面近傍にポテンシャルエネルギー勾配が形成され、この勾配を電荷がダウンヒル緩和することで電荷解離していることがわかった。 また、Y6とほぼ同じ化学構造でありながらわずかにHOMOが浅いY5をアクセプターに用いたPM6/Y5素子を作製し、光電変換特性を評価したところ、光電変換効率が低下した。電荷分離効率を詳細に解析したところ、この系では界面での電荷移動およびCT状態の解離効率のいずれも低下していることが明らかとなった。