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京大、有機系太陽電池や有機ELの効率を上げる新しい半導体材料を開発

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京大、有機系太陽電池や有機ELの効率を上げる新しい半導体材料を開発

京都大学は、独自に設計した準平面型の骨格を用いて、電荷輸送特性に顕著な異方性を示す、革新的な有機半導体材料の開発に成功した。有機エレクトロニクスでは、デバイスの構造に応じて必要とされる電荷輸送の方向が異なるが、今回開発された有機半導体材料の特徴は、基板に対して垂直方向に高い電荷輸送特性を必要とする有機太陽電池及び有機EL素子の材料として有用であると注目される。

今後は、準平面構造を用いた有機半導体材料開発を進めることにより、基板に垂直方向に高い電荷輸送特性が必要とされる有機EL素子や有機太陽電池、有機無機ハイブリッド型太陽電池の高効率化につながるものとして期待されている。

有機エレクトロニクスデバイスで求められる電荷輸送の方向

太陽電池への応用に関しては、すでに研究室で11%を越える性能をもつ塗布型の太陽電池の作製技術を持っている。今回の研究で示された分子設計概念に基づいた有機半導体材料を進め、太陽電池の材料に用いることで、さらに高い光電変換効率が実現できると考えられている。

有機エレクトロニクス分野における共通の課題の一つに、電荷を流しやすい優れた有機半導体材料の開発が挙げられる。限られた大きさをもつ有機分子を用いて高い電荷輸送特性を実現するためには、固体状態で分子の並び方を制御することが重要となる。

従来の有機半導体材料では、結晶性の材料には「強固な平面型」の骨格のもの、非晶質の材料には「ねじれたプロペラ型」のものが一般的に用いられてきた。これまで結晶中での分子の配向と電荷輸送特性の相間関係に関する研究は進んできているが、太陽電池や有機EL素子で用いられる非晶質膜中で、分子がどのように並び、電荷輸送特性にどのように影響を及ぼしているのかは依然不明確で、分子の設計が立てにくいという状況にある。

今回、研究グループは、固体中での分子の並び方の制御を指向した独自の骨格として「準平面型」の構造をもつ有機半導体材料を設計・開発。これらの分子は準平面型構造に起因して、結晶中で分子が一次元方向に完全に重なった形で分子が並ぶことがわかった。この分子の配向・配列を反映して、結晶では電荷の移動度に大きな異方性が観測された。さらに、この分子は結晶中だけでなく非晶質膜中でも、電荷移動特性に大きな異方性を示すことを見出した。測定の結果、準平面型構造をもつ分子は非晶質でも基板に垂直方向に分子が重なった配列構造をある程度保っていることが明らかとなり、これにより高い電荷移動特性を示すことが分かった。

【参考】
京都大学 - 準平面型の骨格を用いた革新的有機半導体材料開発に成功

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