課題番号 ：S-20-MS-0021
利用形態 ：協力研究（ナノプラット）＜前期＞
利用課題名（日本語） ：高溶解性ねじれ型ペリレンジイミドの合成と有機太陽電池への応用
Program Title (English) ：Development of highly soluble twisted perylene diimides for efficient
photovoltaic devices
利用者名（日本語） ：藤本 圭佑, 高橋 雅樹
Username (English) ：K. Fujimoto, M. Takahashi
所属名（日本語） ：静岡大学　工学部
Affiliation (English) ：Faculty of Engineering、Shizuoka University

１．概要（Summary）
高選択的臭素化反応を起点とした精密化学修飾を行うことで、七員環構造により分子骨格にねじれを誘起したペリレンジイミド（右図a）を新規に合成した。このねじれ型ペリレンジイミドは、置換基Rの嵩が小さいにもかかわらず高い溶解性を示し、有機薄膜太陽電池のアクセプタとして用いた際に、通常の平面型ペリレンジイミド（右図b）よりも高い光電変換効率を示すことが明らかとなった。

２．実験（Experimental）
バルクヘテロ接合層は、ねじれ型ペリレンジイミドとPTB7-Thの混合クロロホルム溶液を、スピンコーターを用い、PEIEをコートしたITO基板上に塗布することで作製した。グローブボックス内蔵真空蒸着装置を用いることで有機薄膜太陽電池デバイスを作成した。紫外可視近赤外分光光度計を用いてデバイスの吸収特性を確認した。原子間力顕微鏡を用いることでバルクヘテロ接合層の薄膜形成状態について観察した。ソーラーシミュレーターを用いることで太陽電池デバイスの光電変換特性を調査した。

３．結果と考察（Results and Discussion）
合成したねじれ型ペリレンジイミドは、高い溶解性を示すことから、溶液プロセスでのデバイス作製に適していることが分かった。これを用いて作製した太陽電池デバイスは、通常の平面型ペリレンジイミドと比
構造
ねじれ型
平面型
JSC(mA)
7.23
4.04
VOC(V)
0.81
0.75
FF(%)
46.9
34.0
PCE(%)
2.76
1.03

較して、高い短絡電流密度（JSC）、開放電圧（VOC）、曲線因子（FF）を示し、光電変換効率（PCE）が2.76%まで向上した（右表）。このデバイス特性の向上の原因を調査したところ、電荷再結合の抑制、薄膜中での分子間相互作用の増大および薄膜における結晶性の向上が確認された。以上の結果より、ねじれ型構造の導入による溶解性の向上は、高い光電変換効率を実現するペリレンジイミド誘導体の開発において、有用な設計指針であることが期待された。

４．その他・特記事項（Others）
本研究は分子科学研究所の平本昌弘教授、伊澤誠一郎助教との相談により計画され、薄膜の作製と物性評価および有機薄膜太陽電池の作製と評価を行っていただいた。ここに深い感謝を申し上げる。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) K. Fujimoto, S. Izawa, M. Hiramoto, M. Takahashi, et al. Chem. Asian J. 2021, 16, 690-695.
(2) 藤本 圭佑・○内田 健太郎・伊澤 誠一郎・平本 昌宏・高橋 雅樹, 2020年web光化学討論会, 令和2年9月11日.
(3) 藤本 圭佑・○高橋 歩・伊澤 誠一郎・平本 昌宏・高橋 雅樹, 日本化学会 第101春季年会 (2021), 令和3年3月19日.

６．関連特許（Patent）
なし。