大阪大ら、有機半導体の励起子束縛エネルギー低減：新型太陽電池の実現につながる？

大阪大学は日本女子大学と共同で、有機半導体の励起子束縛エネルギーを低減させることに成功した。単成分で駆動する新型の有機太陽電池や有機光触媒を実現できるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

単成分型の有機太陽電池や不均一系有機光触媒として機能

　大阪大学は2024年8月、日本女子大学と共同で有機半導体の励起子束縛エネルギーを低減させることに成功したと発表した。単成分で駆動する新型の有機太陽電池や有機光触媒を実現できるという。

　有機半導体は、無機系半導体に比べ軽量で柔軟性があり、印刷プロセスによる大面積デバイスの製造が可能、といった特長がある。一方、光エネルギーから自由電荷に変換するための励起子束縛エネルギーが大きいため、2種類の有機半導体を組み合わせてヘテロ接合させるなどの工夫が必要となっていた。ただこの方法も、エネルギーの変換ロスや駆動安定性の低下、高い材料費や開発費、といった課題を抱えていた。

　研究グループは今回、励起子束縛エネルギーを抑えた有機半導体の開発に取り組んだ。ここで着目したのが有機半導体の分子会合挙動である。会合挙動が異なる2つの分子骨格を用意し、これらを分子中央部に導入した2種の有機半導体「DBC-RD」と「TPE-RD」を開発した。

開発した有機半導体分子の概要［クリックで拡大］ 出所：大阪大学

　DBC-RDとTPE-RDの励起子束縛エネルギーを比べたところ、高い会合挙動を示すDBC-RDの方が、小さい励起子束縛エネルギーを示した。これは、薄膜状態におけるDBC-RD分子同士の会合に由来するものだという。

　研究グループは、有機半導体の光／電子デバイス機能に対し、励起子束縛エネルギーが及ぼす影響を調べるため、DBC-RDを発電層とする単成分型有機半導体を試作した。この結果、最大で約6％の量子効率を示した。また、DBC-RDが不均一系有機光触媒としても機能することを確認した。

上図が開発した有機半導体材料の分子構造、下図は単成分有機太陽電池と不均一系有機光触媒の特性評価［クリックで拡大］ 出所：大阪大学

　今回の研究成果は、大阪大学産業科学研究所の陣内青萌助教と家裕隆教授、大阪大学大学院工学研究科の中山健一教授、佐伯昭紀教授および、日本女子大学理学部の村岡梓教授らによるものである。