有機太陽電池における非放射失活エネルギー損失を低減するための集合誘起発光分子設計

科学分野:

• 材料科学
• 有機エレクトロニクス
• 光起電工学

背景:

• 非放射失活エネルギー損失は、有機太陽電池（OSC）の開放電圧（V_OC）と効率を制限します。
• 集合誘起消光（ACQ）は、固体状態のOSCデバイスにおけるエネルギー損失の主な原因です。
• 固体状態の光ルミネセンス量子収率（PLQY）を向上させる戦略を開発することは、OSC性能の向上に不可欠です。

研究 の 目的:

• 集合誘起発光（AIE）を使用してOSCにおけるACQを抑制し、PLQYを向上させる分子設計戦略を導入すること。
• 非放射再結合損失を軽減し、有機太陽電池のV_OCを改善すること。
• AIE分子設計を次世代OSCの効果的なアプローチとして確立すること。

主な方法:

• Yシリーズ非フラーレンアクセプターの末端基に、代表的なAIEモチーフであるテトラフェニルエチレン（TPE）を組み込み、dTPEを作成しました。
• 固体状態のPLQYや電界発光外部量子効率を含む、dTPEの光ルミネセンス特性を調査しました。
• V_OCと非放射電圧損失を評価するために、D18:dTPEおよびD18:L8BO-C4ブレンドを使用した有機太陽電池デバイスを製造および特性評価しました。

主要な成果:

• 新規dTPEアクセプターは、L8BO-C4と比較して、固体状態のPLQYにおいて3倍の顕著なAIE特性を示しました。dTPEの電界発光外部量子効率は、D18:L8BO-C4の1桁以上高かったです。D18:dTPEデバイスは、0.130 eVという非常に低い非放射再結合損失、0.190 eVの非放射電圧損失、および前例のない0.93 VのV_OCを達成し、20.5%の効率につながりました。

結論:

• AIEを活用した分子設計は、OSCにおけるYシリーズアクセプターの固有の限界を克服するための効果的な戦略です。
• このアプローチは、非放射失活エネルギー損失を大幅に軽減し、高効率OSCの記録的なV_OCにつながります。
• この結果は、性能が向上し、エネルギー損失が低減された次世代OSCの設計のための指針を提供します。