屋内有機光電変換素子の変換効率向上のための励起子相互作用の光学的・電気的解析

激子相互作用的光电分析以提高室内有机光电转换器件的转换效率

• 批准号: 21K20431
• 负责人: 黄 善彬
• 金额: $ 2万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-08-30 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K20431/
• 关键词: Organic Semiconductor; Photovoltaic device; Indoor light; Exciton Fission; Internet of Things; Sensor Networks; 有機光電変換素子; 有機太陽電池; 屋内型; 励起子分裂; 励起子相互作用

本研究で用いたフラーレン誘導体をアクセプターとして用いた有機光電変換素子は、高照度の屋外光より低照度の屋内光を照射した方が高い光電変換効率が得られる。この現象は身の回りで一般的に使われているSi系光電変換素子では観察できない独特な現象であり、様々な屋内環境の光照度要件を考慮すると屋外光より低い光照度下における屋内型有機光電変換素子の変換効率の向上は望ましい結果であるが、その根本的な原因は明らかではない。これらの原因を解明するため疑似太陽光・屋内光を用いて光電変換素子の定量的な測定・評価できるシステムを構築し、さらに分光放射照度に対する量子収率の変化を調べるために必要な単色光レーザーパルス変調システムを構築した。これらの測定システムを用いて1. 屋内型有機光電変換素子の入射光源のスペクトル及び放射照度依存性を参照Si光電変換素子と比較しての調査した結果、入射光の放射照度が下がると共に変換効率が上昇する結果が得られた。続いて2. 屋内型有機光電変換素子に単色光レーザーパルス変調システムを用いて入射光源の波長・強度・照射パルス時間変調（励起子濃度の制御）に対する電気的挙動解析を行った結果、低い入射照度（低励起子濃度）において分光量子収率が上昇傾向を示し、高いエネルギーを持つ短波長光において理論値100 %を超える分光量子収率が得られた。これらの結果は、低照度において理論値を超える高い分光量子収率（励起子分裂）およびその上昇傾向（励起子対消滅の抑制）は高い光電流を素子へ齎し、屋外光より低照度の屋内光源下でより高い光電変換効率が得られることを示唆している。そして有機光電変換素子内部のこれらの励起子相互作用を制御することで居間の低照度(200 lx)において21.1 %の高い光電変換効率を有する素子作成に成功した。本研究で得られた結果を元に論文化作業を進めている。

In this study, the organic photoelectric conversion efficiency was obtained by using the organic photoelectric conversion element, the outdoor light with high illumination, the indoor light with low illumination and the indoor light with high illumination. This phenomenon is a general phenomenon in which Si based photoelectric converters are observed in a unique way. The fundamental reason for this phenomenon is that the conversion efficiency of indoor organic photoelectric converters is expected to increase under low illumination conditions. The cause of this problem is explained in detail by the quantitative measurement and evaluation of photoelectric conversion elements in suspected sunlight and indoor light. This is the first time I've ever seen one. The results of the investigation on the dependence of incident light sources and irradiance of indoor organic photoelectric converters on reference Si photoelectric converters show that the irradiance of incident light decreases and the conversion rate increases.続いて2. The wavelength, intensity, and time of illumination of the incident light source can be varied according to the different color and light modulation modes of the indoor organic photoelectric conversion element.(Excitation concentration control) The results of the dynamic analysis of the electric field, the tendency of the spectral quantum yield to increase at low and medium incident illumination (low excitation concentration), and the theoretical value of the spectral quantum yield to increase at high and medium incident illumination (low excitation concentration) are shown. The result is that the theoretical value of high and medium spectral quantum efficiency (excitation splitting) tends to increase (excitation suppression), while the theoretical value of high and medium spectral quantum efficiency increases (excitation suppression). The excitation interaction inside the organic photoelectric converter was controlled, and the intermediate low illumination (200 lx) and high photoelectric conversion efficiency of 21.1% were successfully achieved. The results of this study are as follows: