課題番号 ：S-15-KU-0003
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：有機エレクトロニクスデバイスのナノ構造解析
Program Title (English) ：Nanostructure analysis of organic electronic devices
利用者名（日本語） ：込山 英秋1), 安田 琢麿2)
Username (English) ：Hideaki Komiyama1), Takuma Yasuda2)
所属名（日本語） ：1) 九州大学I2CNER, 2) 九州大学稲盛フロンティア研究センター
Affiliation (English) ：1) WPI-I2CNER Kyushu University,
2) INAMORI Forntier Research Center, Kyushu University

１．概要（Summary ）
近年、有機エレクトロニクス分野が飛躍的に発展し、その中核を担う有機半導体材料の重要性は拡大の一途である。有機半導体の電子物性の鍵となる分子軌道は方向依存性を有するため、優れた電子・光機能を実現しようとする場合、分子の高次集積構造および配向制御は極めて重要である。即ち、有機半導体の潜在的な機能を最大限に発揮させるためには、分子の高次集積構造をナノレベルから巨視的なスケールに渡って設計・制御していくことが求められる。本課題では、有機太陽電池を中心にその高性能化・高効率化を指向し、物性発現を担う10～100 nmの有機半導体薄膜中の機能性分子の集積・配向を能動的に制御するアプローチに基づき、従来のデバイス物性を遥かに凌駕する電子・光機能の開拓を目的としている。その中で、分子レベル（1 nm）から実薄膜レベル（100 nm）の間に介在するメゾスコピック領域における分子集合構造を解明することは、新機能創出には必要不可欠である。当ナノテクノロジープラットフォームの装置利用では、有機薄膜太陽電池のバルクへテロ構造とデバイス特性に関する相関性を検討した。

２．実験（Experimental）
　当研究室で独自に開発した有機薄膜太陽電池のドナー材料とアクセプター材料であるフラーレン誘導体PCBMから成るバルクへテロ構造型の活性層をスピンコーティング法により作製した。透過型電子顕微鏡システム(TEM, 日本電子社製JEM-2010, 加速電圧200 kV)により、バルクへテロ構造を観察した。さらに、活性層上部に電極を製膜し、デバイスを作製した後に、超高分解能走査電子顕微鏡(SEM, 日立ハイテクノロジーズ社製SU9000, 加速電圧1-5 kV)を用いてデバイスの断面観察を行った。また、太陽電池特性評価システム(分光計器社製SRO-25GD)を利用して、電流–電圧測定およびIPCE測定を行った。

３．結果と考察（Results and Discussion）
　有機薄膜太陽電池デバイスの断面SEM観察により、想定通りの膜厚で活性層と上部電極が作製できていることがわかった。TEM観察では、ドナー材料とPCBMが相分離したバルクへテロ構造を明瞭に観察することができた。ドナー材料のドメインサイズは、材料ごとおよび添加剤の有無によって大きく異なった。光電変換の際に生じる励起子の拡散長に相当する数十nmのドメインサイズの時に良好な太陽電池特性を示した。今後ドナー材料分子の末端や側鎖に機能性官能基を導入し、積極的にバルクへテロ構造を制御し、有機薄膜太陽電池の変換効率の向上につなげたいと考えている。

４．その他・特記事項（Others）
なし。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) Y. Hidaka, W. Shin, T. Yasuda, Pacifichem 2015, 平成27年12月16日.
(2) S. Furukawa, H. Komiyama, T. Yasuda, Pacifichem 2015, 平成27年12月16日.
(3)古川晴一、込山英秋、安田琢麿,　第63回応用物理学会春季学術講演会, 平成28年3月19日.
(4) H. Komiyama, S. Furukawa, Y. Hidaka, T. To, C. Adachi, T. Yasuda, 2016 MRS Spring Meeting, 平成28年3月29日.

６．関連特許（Patent）
なし。