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

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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。