２００％の外部量子効率を示す有機太陽電池の作製に向けた一重項分裂性材料群の創出

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一重項分裂(SF)とは、一つの一重項から二つの三重項を生成する過程であり、有機薄膜太陽電池(OPV)の効率向上に向けて注目されている。しかし、SFの発現には一重項エネルギーの半分以下の三重項エネルギー(E(S1)>2E(T1))を持つ必要があり、一般的な有機材料においてこの条件を満たすことは困難であるため、これまでOPV素子に応用可能なSF材料はアセン類に限られていた。本年度は、フルオレン環同士を二重結合で連結した9,9´-ビフルオレニリデン(BFN)骨格に着目し研究を進めた。BFN骨格の立体障害に着目し、二面角の増加に伴う励起エネルギーの連続的な低下を量子化学計算より明らかにした。化学修飾による二面角の操作が可能であれば、エネルギー準位の任意な制御が期待される。特に、40度以上の二面角にてSFのエネルギー条件を満たすことが示唆された。OPVへの応用に向けて、低分子型と高分子型のBFN誘導体を合成した。量子化学計算によって低分子型誘導体のエネルギー準位を求め、SF特性を有することが示唆された。合成した材料をドナーとして使用し、アクセプターとしてフラーレン誘導体を用いて素子を作製した。低分子型誘導体を用いた素子は、代表的SF材料であるペンタセンを用いた素子を凌ぐ1.3%の光電変換効率(PCE)を達成した。一方、高分子型BFN誘導体を用いた素子においては、PCE4.9%と汎用的OPV材料よりも十分に高い値が得られ、BFN骨格の有用性が示された。電荷生成にSFが関与している場合、外部からの印加磁場に依存して光電流が低下することが知られている。低分子型BFN誘導体を用いた素子で光電流の磁場依存性測定を行い、印加磁場の増加に伴う光電流の減少が示された。三重項励起子からの電荷分離が光電流の増加に寄与が示され、素子内部でのSFの発現が証明された。非アセン類のSF性材料の拡充を達成した。