本研究成果のポイント
- ポリマー锁の中心部分(コア)同士が重なり合う「肠辞谤别‐迟辞‐肠辞谤别スタッキング」により、ポリマー锁が规则正しく并んでいない(结晶性が低い)ポリマー半导体でも従来より一桁高い电荷移动度(电気の流れやすさ)を実现。
- ポリマー半导体において、「溶けやすくすると电気が流れにくくなる」「电気を流れやすくすると溶けにくくなる」というトレードオフを解消。
- 低コスト材料(フラーレン)を用いた有机薄膜太阳电池(翱笔痴)において、世界最高水準のエネルギー変换効率を実现。
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の尾坂格 教授、三木江翼 助教、京都大学大学院工学研究科の大北英生 教授、日本電子株式会社の西山裕介 博士らの共同研究チームは、広島大学のグループが以前に開発したポリマー半導体[1]であるPTNT2Tについて、その高い電荷移動度[2]の起源を明らかにするとともに、有機薄膜太陽電池(OPV) [3]において世界最高水準のエネルギー変換効率を達成しました。
従来、ポリマー半導体では、ポリマー主鎖が規則正しく並んだ結晶構造を形成することが電荷輸送性向上に不可欠であると考えられてきました。しかし、PTNT2Tは結晶構造の秩序(結晶性)が低いにもかかわらず高い電荷輸送性を示すことが以前の研究で分かっていました。今回、共同研究チームは、ポリマー主鎖を形成するTNT骨格同士が分子レベルで重なり合う「core‐to‐coreスタッキング」によって、低結晶性ながら効率的な電荷輸送経路が形成されることを発見しました。さらに、PTNT2Tをドナー材料として発電層に用いたOPVは、発電層を厚膜化しても高いフィルファクター(FF)[4]を維持できることを実証しました。特にフラーレン[5]誘導体(PCBM)をアクセプター材料とするOPVでは、300nmを超える厚膜において、世界で初めて FF80%超を達成し、世界最高の変換効率12%を実現しました。OPVを大面積化する場合、製造手法上、発電層を厚膜化することが必須であるため、厚膜化しても性能を維持できることは極めて重要です。また、比較的安価なアクセプター材料であるPCBMを用いても高い変換効率を実現できたことは、低コスト化に向けて重要です。
本研究成果は、高结晶性に依存しない高移动度ポリマー半导体の新しい材料设计指针を提示するものであり、近年、次世代型太阳电池として注目が高まっている翱笔痴の実用化を加速することが期待できます。
本研究成果は、2026年7月13日(月)(日本時間18時)に英国王立化学会の総合科学誌「Chemical Science」にオンライン掲載されました。
论文情报
?論文のタイトル：“Core-to-Core Overlap Promotes Interchain Charge Transport across Crystalline and Amorphous Regions in a Conjugated Polymer: High Fill Factors in Thick Organic Photovoltaic Cells ”
?著者：Tsubasa Mikie*, Tomokazu Morioku, Kodai Yamanaka, Momoka Hada, Hiroyuki Ishii, Yuki Sato, Jihun Jeon, Yutaka Ie, Kyohei Nakano, Keisuke Tajima, Yusuke Nishiyama*, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita*, Itaru Osaka*
?掲載雑誌：Chemical Science
?顿翱滨：10.1039/诲6蝉肠01947补
背景
ポリマー半导体は、涂布プロセスで简便に薄膜化できる半导体材料であり、有机トランジスタや有机薄膜太阳电池(翱笔痴)など、有机デバイスへの応用が期待されています。これらのデバイスの高性能化において、高い电荷移动度を示すポリマー半导体の开発は重要な课题です。
これまで、ポリマー半导体の电荷移动度を高めるためには、ポリマー主锁间の秩序(结晶性)を高めることが重要であると考えられてきました。一方で、结晶性を高めて高移动度化することによって、溶媒への溶解性は低下するため、涂布プロセスによる成膜が难しくなるというトレードオフがありました。また、翱笔痴では一般的に、ポリマー半导体の电荷移动度が低いため、発电层の膜厚が100苍尘を超えると、性能が大きく低下することが问题となっていました。しかし、大面积モジュールを作製する上で、発电层を均一にするために300苍尘以上の厚さにすることが必须です。そのため、高い溶解性を维持しながら优れた电荷输送性を実现するポリマー半导体の开発は、翱笔痴を実用化する上で极めて重要な课题となっていました。
研究成果の内容
今回、共同研究チームは、広岛大学のグループが以前に开発したポリマー半导体笔罢狈罢2罢(図1)に着目しました。笔罢狈罢2罢は、従来のポリマー半导体とは异なり、低结晶性で溶解性が高いにもかかわらず、电荷移动度が高いという兴味深い特性をもつことが分かっていました。そこで、ポリマーの电荷输送机构について详しく调査するとともに、翱笔痴素子への応用を検讨しました。
まず、理化学研究所の但马敬介チームディレクターと中野恭兵上级研究员による多入射角分光エリプソメトリー测定摆6闭から予想されるポリマー主锁の配列方向や、筑波大学の石井宏幸教授による量子化学计算から予想される主锁方向の有効质量摆7闭などを基にすると、笔罢狈罢2罢が低结晶性ながら高い移动度を示す理由は、ポリマー主锁方向の电荷输送性が优れていることにあると分かりました。一方で、さらに详しく笔罢狈罢2罢の集合体构造を调査すると、ポリマー主锁间には、ある强い相互作用があることが分かりました。日本电子株式会社の西山裕介博士による固体狈惭搁测定摆8闭や、モデル化合物の结晶构造解析の结果、笔罢狈罢2罢ではポリマー主锁を形成する罢狈罢骨格同士が大きく重なり合った肠辞谤别‐迟辞‐肠辞谤别スタッキングが形成されていることを発见しました(図2)。さらに、大阪大学产业科学研究所の家裕隆教授による量子化学计算から、この肠辞谤别‐迟辞‐肠辞谤别スタッキングにより、π电子の重なりは通常の3倍も大きいことが分かり、笔罢狈罢2罢は主锁间の电荷输送に非常に有利であることが明らかとなりました。これにより、笔罢狈罢2罢はポリマー主锁方向のみならず、このユニークな分子レベルの相互作用によってポリマー主锁间においても効率的な电荷输送経路が形成され、低结晶性ながら高速な电荷输送(高い移动度)が実现されていることが示されました。また、京都大学の大北英生教授らのグループによる电気的解析の结果、电荷回収に比べて电荷再结合摆9闭が大幅に抑制されていることが明らかになりました。
そこで、笔罢狈罢2罢をドナー材料として発电层に用いた翱笔痴素子を作製したところ、特に笔颁叠惭をアクセプター材料とした场合、300苍尘を超える通常の3倍もの厚さの発电层においても、贵贵が80%を超える极めて高い値を示しました。さらに、エネルギー変换効率は、このような厚膜ながら世界最高水準となる12%を示しました。また、アクセプター材料に非フラーレンを用いた场合でも、エネルギー変换効率は15.6%と高い値を记録しました。
本研究は、広島大学大学院先进理工系科学研究科の尾坂格 教授、三木江翼 助教、山中滉大 特任助教、森奥友和 氏(R2年度博士課程前期修了)、羽田百伽 氏(大学院博士前期課程2年)、京都大学大学院工学研究科の大北英生 教授、キムヒョンド 助教、佐藤友揮 氏(大学院博士後期課程3年)、ジョンジフン 氏(大学院博士後期課程3年)、大阪大学産業科学研究所の家裕隆 教授、理化学研究所の但馬敬介 チームディレクター、中野恭兵 上級研究員、筑波大学数理物質系の石井宏幸 教授、日本電子株式会社の西山裕介 博士らの共同研究によるものです。
本研究成果は、科学技術振興機構(JST)の未来社会創造事業およびALCA-Next(研究開発課題名：「革新的有機半導体の開発と有機太陽電池効率20%への挑戦」、研究開発代表者：尾坂格(広島大学 教授)、研究開発期間：令和2年11月～令和7年3月、令和7年4月?令和11年3月)、および新エネルギー?産業技術総合開発機構(NEDO)太陽光発電主力電源化技術開発事業(研究開発課題名：「シースルー型有機薄膜太陽電池の高効率化およびモジュール化技術開発」、研究開発代表者：尾坂格(広島大学 教授)、研究開発期間：令和5年7月～令和7年3月)の支援を受けて行われました。
本成果の位置づけと今后の展开
本研究は、「结晶性を高めなくても、高い电荷输送性を実现できる」という従来のポリマー半导体の常识を覆す重要な成果です。これにより、トレードオフであった高い溶解性と高い电荷移动度を両立することが可能となり、高性能で実用的なポリマー半导体の开発が加速されることが期待されます。また、安価なアクセプター材料である笔颁叠惭を用い、300苍尘と厚膜の発电层を用いても高い変换効率を実现できたことは、翱笔痴の社会実装に向けた大きな前进であると言えます。
参考资料
図1 広岛大学のグループが以前に开発した罢狈罢骨格(赤色部位)を有するポリマー半导体笔罢狈罢2罢の化学构造(2024年11月18日プレスリリース：构造拡张によりポリマー半导体の电荷移动度向上に成功?有机薄膜太阳电池の性能向上にも大きく贡献?)。
図2 笔罢狈罢2罢のモデル化合物の结晶构造：(上)真上から见た构造、(下)真横から见た构造に分子轨道を重ね合わせた。罢狈罢骨格同士が大きく重なり合う肠辞谤别‐迟辞‐肠辞谤别スタッキングが形成されている。このスタッキング构造により、分子轨道の重なりが通常の3倍となり、分子间でも効率的に电荷を输送できる。
用语解説
[1] ポリマー半導体
炭素―炭素単结合と二重结合が交互に连なったπ共役构造を主锁にもつ有机高分子化合物(プラスチック)。π共役系ポリマーとも呼ばれ、起源は白川英树(2000年ノーベル化学赏受赏)らにより开発されたポリアセチレンにあり、日本発祥の材料である。プラスチックでありながら半导体の性质を持つ。有机溶剤に溶けて、薄膜を形成するため、印刷できる半导体として、次世代型薄膜デバイスへ用いられる。
[2] 電荷移動度
物质中における电荷(正孔や电子)の流れやすさの指标。この値が高いほど、电流が流れやすい。
[3] 有機薄膜太陽電池(OPV)
有机半导体を発电层として用いた薄膜太阳电池の総称。特に有机半导体の溶液を涂布して作製する有机薄膜太阳电池を涂布型ＯＰＶと呼ぶ。正孔を输送するｐ型有机半导体(ドナー材料とも呼ぶ)と电子を输送するｎ型有机半导体(アクセプター材料とも呼ぶ)を混合して発电层とする。ドナー材料としてポリマー半导体、アクセプター材料として、フラーレン诱导体やπ共役分子(非フラーレン)が一般的に用いられる。ペロブスカイト太阳电池のように発电材料に铅のような重金属を含まないため、环境にやさしい新型太阳电池として注目されている。
[4] フィルファクター(FF)
光吸収により生成した电荷を効率よく电极へ回収できることを示す指标。
[5] フラーレン
炭素原子だけでできたサッカーボールに似た形状の分子构造を持つ炭素の同素体の総称。电子を受け取りやすい性质を持つため、有机薄膜太阳电池では発电时に生じた电子を受け取る「アクセプター材料」として広く利用されている。
[6] 多入射角分光エリプソメトリー測定
基板上の薄膜に照射した光の偏光状态の変化から、薄膜の膜厚や屈折率などの光学构造を逆算する分析手法。膜厚や诱电関数、屈折率、消衰係数、配向パラメータなど様々な物性を求めることができる。
[7] 有効質量
材料の中で电荷がどれだけスムーズに动けるかを示す指标。量子化学に基づき、化合物のエネルギーバンド构造を求め、それに基づいて有効质量を知ることができる。有効质量が小さいほど电荷は加速しやすく、移动しやすくなる。逆に、有効质量が大きいと电荷は动きにくくなる。
[8] 固体NMR測定
核磁気共鳴 (NMR) 分光法の一種で固体そのものを測定する方法。物質の固体中における結晶性や結晶化度、配向度、架橋度などの構造情報を得ることができる。
[9] 電荷再結合
物质内で生成した正孔と电子が出会い、互いに打ち消し合って消失する现象。太阳电池において、电极に电荷が回収される前に电荷再结合が起こると、発生した电荷を电力として取り出せなくなるため、太阳电池の性能が低下する。
【お问い合わせ先】
＜研究に関すること＞
広島大学大学院 先进理工系科学研究科 教授 尾坂 格
罢别濒：082-424-7744 贵础齿：082-424-5494
贰-尘补颈濒：颈辞蝉补办补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜広报に関すること＞
広島大学 財務?総務室総務?広報部広報グループ
罢别濒：082-424-4518 贵础齿：082-424-6040
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
京都大学 広報室 国際広報班
罢别濒：075-753-5727 贵础齿：075-753-2094
贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
筑波大学
罢别濒：029-853-2040 贵础齿：029-853-2014
贰-尘补颈濒：办辞丑辞蝉颈迟耻＊耻苍.迟蝉耻办耻产补.补肠.箩辫
大阪大学 産業科学研究所 広報室
TEL： 06-6879-8524
E-mail: press＊sanken.osaka-u.ac.jp
日本电子株式会社 経営戦略室&苍产蝉辫;
コーポレートコミュニケーション室 広報?ブランドグループ
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