Phase Separation Structures and Bimolecular Recombination in All Polymer Solar Cells

電子ドナー性ポリマーと電子アクセプター性性ポリマーからなる全高分子ブレンド太陽電池は、実用化のために、さらなるエネルギー変換効率の向上が求められる。そのために、光活性層を厚膜することで光捕集効率を増加させ、短絡電流密度(JSC)を向上させる必要がある。しかし、全高分子ブレンド太陽電池ではJSCとFFの間にトレードオフ関係が存在することが知られており、厚膜状態でも高いFFを維持することが、高効率な素子の実現にあたって最も重要である。そこで本研究では、電子ドナー材料として側鎖の異なる結晶性共役高分子を用いた全高分子ブレンド太陽電池について曲線因子の膜厚依存性が異なる原因を電荷回収ならびに電荷再結合ダイナミクスの観点から包括的に検討を行った。まず、過度光起電力/光電流測定を行い、二分子再結合の抑制因子（ζ）を評価したところ、本研究で使用されたブレンド膜はいずれも二分子再結合が抑えられていることが分かった。さらに、二分子再結合がFFへ及ぼす影響を検討するため、電荷回収（CE）測定の結果を用いた解析によりJ-V曲線を再現を行った。その結果、厚膜化によるFFの低下がわずかで素子では、実測曲線と解析曲線の間には良好な一致が見られ、二分子再結合がFF低下の主な要因となることが分かった。これに対して、厚膜化に伴い顕著なFFの低下が見られる素子では解析曲線が実測曲線よりずれており、CE測定から得た電荷密度に一定値の電荷密度を加えることで再現することができた。つまり、これらの素子においてはCE測定では観測できない孤立電荷との再結合によりFFが低下していると考えられる。最後に、高いFFの実現の鍵となる要因を検討するために電荷寿命と電荷回収の定量議論を行った結果、厚膜でも高いFFを維持する素子では輸送過程での損失が無視できることが分かった。これは二分子再結合の抑制とともに高い電荷移動度に起因していると考えられる。

電子ドナー性ポリマーと電子アクセプター性性ポリマーからなる全高分子ブレンド太陽電池は、実用化のために、さらなるエネルギー変換効率の向上が求められる。そのために、光活性層を厚膜することで光捕集効率を増加させ、短絡電流密度(JSC)を向上させる必要がある。しかし、全高分子ブレンド太陽電池ではJSCとFFの間にトレードオフ関係が存在することが知られており、厚膜状態でも高いFFを維持することが、高効率な素子の実現にあたって最も重要である。そこで本研究では、電子ドナー材料として側鎖の異なる結晶性共役高分子を用いた全高分子ブレンド太陽電池について曲線因子の膜厚依存性が異なる原因を電荷回収ならびに電荷再結合ダイナミクスの観点から包括的に検討を行った。まず、過度光起電力/光電流測定を行い、二分子再結合の抑制因子（ζ）を評価したところ、本研究で使用されたブレンド膜はいずれも二分子再結合が抑えられていることが分かった。さらに、二分子再結合がFFへ及ぼす影響を検討するため、電荷回収（CE）測定の結果を用いた解析によりJ-V曲線を再現を行った。その結果、厚膜化によるFFの低下がわずかで素子では、実測曲線と解析曲線の間には良好な一致が見られ、二分子再結合がFF低下の主な要因となることが分かった。これに対して、厚膜化に伴い顕著なFFの低下が見られる素子では解析曲線が実測曲線よりずれており、CE測定から得た電荷密度に一定値の電荷密度を加えることで再現することができた。つまり、これらの素子においてはCE測定では観測できない孤立電荷との再結合によりFFが低下していると考えられる。最後に、高いFFの実現の鍵となる要因を検討するために電荷寿命と電荷回収の定量議論を行った結果、厚膜でも高いFFを維持する素子では輸送過程での損失が無視できることが分かった。これは二分子再結合の抑制とともに高い電荷移動度に起因していると考えられる。