超解像度光学顕微鏡による共役高分子相分離構造の研究

共役系高分子は有機エレクトロニクスを担う材料として盛んに研究されている。近年注目されている薄膜太陽電池においては、電子ドナーとアクセプター材料を混合し、相分離させることで得られるバルクヘテロ構造が多く用いられている。そのため共役高分子の相分離現象について基礎的な知見を得ることは構造制御のために不可欠である。本研究では最新のプローブ顕微鏡法を用いることで共役高分子の相分離構造とその形成過程について明らかにすることを目的としている。本年度は、共役高分子の構造評価を行うにあたって有効な顕微鏡法の開発を行った。共役高分子の構造解析には近接場光学顕微鏡が有効であるが、これに加えて試料の半導体特性を利用した電流AFM測定についても検討した。試料-探針間の電圧を制御することにより、高分子種の同定が可能であり、電流AFMを通して高分解能で共役高分子の相分離薄膜の構造評価を行えることが分かった。試料となる共役高分子として、poly(3-hexylthiophene)(P3HT)と狭バンドギャップ共役高分子N2200を用いた。P3HTは薄膜太陽電池で広く用いられており、N2200は近赤外領域までの光を吸収することが可能であり、また高い電子輸送性を示すことから、高い性能の太陽電子素子を与えることが期待される。しかしながら、その光電変換効率は0.11%に留まり、期待される値よりも著しく小さかった。その原因を考察するため、電流AFMにより構造評価を行ったところ、数100～1μmのドメイン構造を形成していることが分かった。そのため光吸収によって発生した励起子を効率よく電荷分離させることができないことが示唆され、その構造制御が重要であることが明らかになった。

共役系高分子は有機エレクトロニクスを担う材料として盛んに研究されている。近年注目されている薄膜太陽電池においては、電子ドナーとアクセプター材料を混合し、相分離させることで得られるバルクヘテロ構造が多く用いられている。そのため共役高分子の相分離現象について基礎的な知見を得ることは構造制御のために不可欠である。本研究では最新のプローブ顕微鏡法を用いることで共役高分子の相分離構造とその形成過程について明らかにすることを目的としている。本年度は、共役高分子の構造評価を行うにあたって有効な顕微鏡法の開発を行った。共役高分子の構造解析には近接場光学顕微鏡が有効であるが、これに加えて試料の半導体特性を利用した電流AFM測定についても検討した。試料-探針間の電圧を制御することにより、高分子種の同定が可能であり、電流AFMを通して高分解能で共役高分子の相分離薄膜の構造評価を行えることが分かった。試料となる共役高分子として、poly(3-hexylthiophene)(P3HT)と狭バンドギャップ共役高分子N2200を用いた。P3HTは薄膜太陽電池で広く用いられており、N2200は近赤外領域までの光を吸収することが可能であり、また高い電子輸送性を示すことから、高い性能の太陽電子素子を与えることが期待される。しかしながら、その光電変換効率は0.11%に留まり、期待される値よりも著しく小さかった。その原因を考察するため、電流AFMにより構造評価を行ったところ、数100～1μmのドメイン構造を形成していることが分かった。そのため光吸収によって発生した励起子を効率よく電荷分離させることができないことが示唆され、その構造制御が重要であることが明らかになった。