Cuihong Li らは以下に示す 3 つの新奇な DA ポリマーを合成し F 原子導入の位置と数の光学電気化学光電池性質への影響を調べた 3) PHF と PFF は 350~700nm にブロードな吸収がある一方主鎖に F が導入された PFH は 350~650nm に吸収があり

Size: px

Start display at page:

Download "Cuihong Li らは以下に示す 3 つの新奇な DA ポリマーを合成し F 原子導入の位置と数の光学電気化学光電池性質への影響を調べた 3) PHF と PFF は 350~700nm にブロードな吸収がある一方主鎖に F が導入された PFH は 350~650nm に吸収があり"

ただきよあいきょう
5 years ago
Views:

1 最新フッ素関連トピックス 2018 年 6 月号光電池 1 はじめに含フッ素ドナーアクセプター (DA) ポリマーを太陽電池などの光電池として検討している文献が最近頓に多くなっている本稿ではこれに関する 2017 年以降の文献を紹介する 2 含フッ素 DA ポリマーの光電池特性 Yingping Zou らは下図に示す新規含フッ素 DA ポリマーを合成した 1) 両者とも 300~800nm にブロードな吸収を示したアルキルチオおよび F 原子は有効に分子のエネルギーレベルを下げることができた AM1.5( 約 1kW/m 2 ) の照明下 BDFPS-FFQs で作製した太陽電池のエネルギー変換効率 PCEs は 4.62% BDFPS-HFQs では 5.16% であった後者の方がよりバランスが取れホールや電子の移動度が大きく短絡電流 Jsc や FF( 曲線因子 =Pmax/Voc Jsc Pmax は最大出力 Voc は開放電圧 ) に大きく寄与するさらに後者の方が光電池性能の改善に重要な役割を演ずる Ganesh D. Sharma らは下記に示す強いアクセプターである含フッ素 TDQ とベンゾチオフェンとの DA ポリマーを合成し光電池性能を調べた 350~1000nm にブロードな吸収を示し光バンドギャップは 1.26eV であった HOMO エネルギーレベルは -5.46eV で非フッ素系 FITDQx BT より深かった 2) 光電池性能は ITO/PEDOT:PSS/p(ffFITDQx BT):PC71BM/Al のセルにより評価した ( 添加溶媒として 1,8-ジヨードオクタン (DIO) 最適化後の結果 7.27% の PSCs が得られた非フッ素系では 5.80% であった高いホール移動度とエキシトン ( 励起子 ) 解離により Jsc および FF も高い値を示したまた DIO より低沸点の溶媒を検討し沸点 132 のオルトクロロベンズアルデヒドを添加すると変換効率が 8.10% まで上昇した PC71BM は下図右側に示す

2 Cuihong Li らは以下に示す 3 つの新奇な DA ポリマーを合成し F 原子導入の位置と数の光学電気化学光電池性質への影響を調べた 3) PHF と PFF は 350~700nm にブロードな吸収がある一方主鎖に F が導入された PFH は 350~650nm に吸収がありより狭い幅であったまた PFH の HOMO エネルギーレベルは非フッ素系より低くさらに PHF と PFF はより深い HOMO エネルギーを示した PHF と PC71BM とで作製した光電池の PSCs は 7.2%(Voc=0.84V Jsc = 12.46mA/cm2 FF = 0.69) PFH の場合は 6.19 % (Voc = 0.93V Jsc=9.57mA/cm2 FF=0.68) PFF の場合は PCEs が 2.9 % (Voc=0.92V Jsc=4.61mA/cm2 FF=0.70) であった F の導入位置により光電池性能が大きく影響を受けることが分かった In Hwan Jung らは下記の広い禁止帯幅を持つ PDTFBT を合成し弱い DA 構造を形成させ有機光検出器と有機太陽電池として F 原子の影響を調べた D ユニットに F を導入 A ユニットにアルコキシ基を導入して弱い D(WD) と弱い A(WA) とした PDTFBT の WD-WA 構造は典型的な DA 構造に比して禁制帯が広くなる 4)

3 エネルギーレベルを典型的な DA ポリマー P3HT や PC71BM と比べると下図のようになるその結果本 WD-WA ポリマーを使用した太陽電池の PCE s は 1.8 倍になったこれは S-F および S-O 間の双極子相互作用が垂直方向に π π スタッキングを有する高度な平面バックボーン構造を取らせるからであるとしている Joo Hyun Kim らは下記のフッ素化キノキサリン DA ポリマーを合成し光電池性能を改善した 5) ITO/ZnO/ ポリマー :PC71BM/MoO3/Al の構成で光電池を作製したところ 6,7 位

4 に 4 つの F 原子を有する PBDT-FQxF が PCE s 6.60 % (Voc=0.91V Jsc=10.15mA/cm2 FF=7.15%) と最も高い性能を示した Jon-Paul Sun らは下表に示す構造の DA ポリマーを合成し光電池デバイス性能を調べた 6) ここで Mn は数平均分子質量 DM は分子質量分散度 RR は位置選択性 F50 のイオン化エネルギーは F0 に比べて 0.3eV 増大した PC61BM とブレンドして作製した光電池の PCEs は 3% であった Chao Weng らは下図に示す 3 つの低禁止帯ポリマーを合成し高分子太陽電池の供与体物質として評価した 7) フッ素原子の数が増すにつれ吸収ピークはブルーシフトし禁制帯のギャップは減少した PB-DPP と比べると PDFB-DPP と PTFB-DPP は光採取能結晶性が高く HOMO エネルギーを下げた光電池性能としては PDFB-DPP は 5.31%PSC PTFB-DPP は 4.93% であり PB-DPP は 4.13% であった Jeff Kettle らは下記に示す方法で含フッ素共役ブロックポリマーを合成した 8) P3HT は Mn が 7000 で Mw/Mn=1.31 と狭い分子量分布であったブロックコポリマーはホール移動度が cm2/Vs であった PCE は 60 で 3.6% と P3HT ベースの太陽電池に比べると低かったが 7 日間後も性能は低下しなかった

5 Bruno Schmaltz らはホール輸送物質として下記の CzP とそのフッ素化体 CzPF を合成し平面プロブスカイト太陽電池を作製して評価した 9) その結果フッ素を導入することによりホール移動度は増大し太陽電池の PCE は CH3NH3 + PbI3 平面構造デバイスにおいて 13% に近い値を示した Do-Hoon Hwang らは下図左に示す 3 種類のペリレンジイミド (PDI) を合成しフラーレンを使用しない有機太陽電池に使用した 10) DTF2BTP のようにコアの部分にフッ素を導入するとバックボーンの平面性が改善され分子間秩序が高くなり PTB7-Th( 下図右側 ) ドナーとの太陽電池において最も高い PCE4.41% を示したこのように n-タイプコア構造は電子受容性とノンフラーレン受容体の高いバンドギャップにおける吸収性増すことで有利であるとしている

6 3 フッ素化合物の太陽電池への適用 Masakazu Nakamura らは青色からのエネルギーハーベストに対する有機光電池性能の改善のために下記の (a) の Ag/BCP/C60/BPh-BTBT/10mol%p-dopedBPh-BTBT/ITO に F4TCNQ C60F36 HATCN Mo(tfd)3 をドープした光電池の PCE はこの順で 60% 78% 46% 49% 改善されたドーパントの拡散については F4TCNQ のみが観測された 11) Caterina Credi らは下図に示すようにまず a) で高分子型に光造形法で 3D プリントし b) でパーフルオロシランによりパッシベート処理し超撥水表面 ( 水の接触角 >150 度ヒステリシス角 <3 度 ) とし c) で太陽電池セルと連結した 12) 超撥水太陽光

集光機としては初めてでセルフクリーニング機能を示した 4 おわりに DA ポリマーにフッ素を導入することによりホールや電子の移動度が向上し HOMO エネルギーレベルを下げ短絡電流や曲線因子に大きな影響を与え太陽電池のエネルギー変換効率の改善につながっている上記のように多彩な含フッ素 DA ポリマーが検討されており F の導入位置数などによっても変化している

7 集光機としては初めてでセルフクリーニング機能を示した 4 おわりに DA ポリマーにフッ素を導入することによりホールや電子の移動度が向上し HOMO エネルギーレベルを下げ短絡電流や曲線因子に大きな影響を与え太陽電池のエネルギー変換効率の改善につながっている上記のように多彩な含フッ素 DA ポリマーが検討されており F の導入位置数などによっても変化している今後この中から画期的な含フッ素 DA が開発されることを期待しているまたフッ素の特長を生かした超撥水性などの付与によりセルフクリーニングなどの機能が発揮され特徴的な太陽電池の作製につながることも期待される文献 1) Yingping Zou et al Synthetic Metals 226(2017) ) Ganesh D. Sharma et al Organic Electronics 43(2017) ) Cuihong Li et al Organic Electronics 46(2017) ) In Hwan Jung et al Organic Electronics 46(2017) ) Joo Hyun Kim et al Organic Electronics 47(2017) ) Jon-Paul Sun et al Organic Electronics 50(2017) ) Chao Weng et al Polymer 125(2017) ) Jeff Kettle et al Organic Electronics 55(2018) ) Bruno Schmaltz et al Organic Electronics 56(2018) ) Do-Hoon Hwang et al Dyes and Pigments 156(2018) ) Masakazu Nakamura et al Organic Electronics 52(2018) ) Caterina Credi et al Materials and Design 133(2017)

Microsoft Word - 01.doc

Microsoft Word - 01.doc 科学技術振興機構 (JST) 理化学研究所京都大学有機薄膜太陽電池で飛躍的なエネルギー変換効率の向上が可能に ~ 新材料開発で光エネルギー損失低減に成功 ~ ポイント塗布型有機薄膜太陽電池 ( 塗布型 OPV) の実用化には変換効率の向上が課題となっている新しい半導体ポリマーの開発により塗布型 OPV の光エネルギー損失が無機太陽電池並みまで低減に成功した塗布型 OPV