分子性導体ナノ結晶を利用したバルクへテロ接合型太陽電池の開発
Development of Bulk Heterojunction Solar Cell with
Nanocrystals of Molecular Conductors
松田真生

東京大学物性研究所

助教

Masaki MATSUDA, the Institute for Solid State Physics,
the University of Tokyo, Research Associate【概要】
将来のエネルギー需要は一層増加することが予想されているが、現在の我々の生活では「エネルギー消費」は「CO2 排出」に直結しており、無尽蔵かつクリーンな太陽エネルギーを利用した発電素子＝太陽電池の開発は、今後の飛躍的な発展が切望される研究分野である。特に、比較的容易なプロセスで作製される有機薄膜太陽電池は、作製時の消費エネルギーが小さいことや活性層に貴金属を用いないことから、「真の低環境負荷型太陽エネルギー利用素子」であると言える。よって、その早急な実用化が求められている一方で、変換効率の低さが解決すべき大きな課題となっている。本
研究では、「構成成分として分子性導電体のナノ結晶を取り入れたバルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池の開発」という新しい視点から有機薄膜太陽電池の高効率化を目指す。

【Abstract】
It is expected that demand for energy will increase due to economic
and population growth, although energy consumption leads toenvironmental destruction, especially to increased air pollution fromtraditional means of producing energy.

Therefore, the development ofsolar cells, which utilize inexhaustible and clean solar energy, isstrongly desired.

Above all, organic solar cells are “environmentallyfriendly”, since energy consumption for fabricating devices is relatively-1-low and the active layer(s) of them does not contain rare metal.
However, energy conversion efficiency of organic solar cells is not
sufficient for practical use, and improvement of the efficiency is a mostimportant issue.

In this study, I propose a development of the bulk

hetero-junction solar cell with nanocrystals of molecular conductors,
which is a new approach to improve energy conversion efficiency oforganic solar cells.

【研究目的】【研究経過と成果】

有機化合物や金属錯体といった分子性導電体としては、まず、申

低分子化合物への化学的なキャリ

請者が以前から開発に携わっていアドーピングにより、高い導電性をるジシアノ金属フタロシアニン

示す分子結晶、すなわち、「分子性（[M(Pc)(CN)2]）を構成成分とする導電体」を得ることができる。

ものを対象とした。その合成スキー分子性導電体を用いることによ

ムを下に示す。金属フタロシアニンって、近年、その低環境負荷というは、非常に安定な化合物であり、古特色に加えて、軽量性や柔軟性と安くから有機半導体材料として有機価な製造コストという点から大き薄膜素子の構成成分としても利用な注目を集めている有機薄膜太陽されているものである。

電池の変換効率を向上させ得るこ

一方、金属元素を含まない、有機とを期待し、そのために必要となる化合物のみからなる分子性導電体分子性導電体導入方法を確立させの構成成分として、最も広く用いらることを当初目標とした。

れ て い るBis(ethylenedithio)

tetrathia fulvalene)（BEDT-TTF）
についても対象とした。

M(Pc)

KCN / EtOH
refluxK[M(Pc)(CN)2]

K[M(Pc)(CN)2]

cation exchange[cat][M(Pc)(CN)2][cat][M(Pc)(CN)2]

electrochemical oxidation
carrier doping[cat]x[M(Pc)(CN)2]y[M(Pc)(CN)2]を成分とする分子性導電体の作製スキーム-2-分子性導電体の作製は、適切なカ電体に関しても、サブミクロンオーウンターイオンと組み合わせ、電気ダーのサイズにすることができて化学的なキャリア注入により行っいる（図 2）。この手法は、これまた。キャリア注入の制御により、多でに報告されている数百以上のほ様な電子状態を構築できるのも分ぼすべての分子性導電体に関して子性導電体の特徴である（図１）。

も同様に微小化することが可能になることを示唆すると言える。
一方、[Fe(Pc)(CN)2]について、その光照射による電気特性の変調を検証した。フォトリソグラフィにより 作 製 し た 櫛 形 電 極 上 に[cat][Fe(Pc)(CN)2]を展開し、その電圧‒電流（I‒V）特性を調べた（図 3）。

LUMO band

その結果、光照射のない状態では電流はほとんど流れないのに対し、光HOMO band

照射下では大きな電流を観測する
insulator

図 1

metalMott-insulator[M(Pc)(CN)2]を用いた 分子性導体の多様な電子状態実験計画に従い、いくつかのアプローチから複数の分子性導電体に

図 2関し導入方法を試みた。そのうち、作製した分子性導電体微小結晶の AFM 像

バルク結晶を「すり潰す」という、3もっとも単純な手法で分子性導電2I / nA体の微小結晶を作製することを達成できている。
「すり潰す」条件（使10-1用する乳鉢、溶媒などの選択や時-2-3間）により、得られる結晶サイズに-20-1001020V/V依存が見られ、現在の段階では[M(Pc)(CN)2]および BEDT-TTF の

図 3

いずれを構成成分とする分子性導[cat][Fe(Pc)(CN)2]への光照射による I‒V 特性の変化-3-ことができ、[Fe(Pc)(CN)2]が光照射【発表論文リスト】

によりキャリアを生成する特性を“Fabrication持っていることを確認できた。

nanocrystalline

andproperties
ofofmolecularconductrors.”
M. Matsuda and H. Tajima, to be【今後の課題と発展】

submitted.

複数種の分子性導電体に関して、微小結晶を作製する手法をほぼ確“Photo-irradiation effect on soluble
phthalocyanine compounds.”

立することができた。今後はこれをM. Matsuda and H. Tajima, to be

如何に太陽電池に組み込むかであsubmitted.

るが、図２に見られるような微小結晶を、他の有機太陽電池の構成分子あらなる溶液に分散することで分子性導電体とのバルクヘテロ接合を形成することが可能になると考えられる。引き続き研究を継続することで有機薄膜太陽電池の変換効率向上を目指す。
ま た 、 図 ３ に 見 ら れ る[cat][Fe(Pc)(CN)2] の 光 照 射 へ の 電流応答性は、分子性導電体そのものを光キャリア生成の起源として利用できる可能性を示唆しており興味深いものである。この現象を利用した新しい太陽電池の開発を目指した研究も継続して行う。

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