高分子薄膜太陽電池における励起子および電荷ダイナミクス

Abstract

共役高分子を電子ドナー材料に用いた高分子太陽電池は軽量，フレキシブルかつ低コストな次世代技術として注目を集めている．共役高分子が太陽光を吸収すると正孔と電子がCoulomb引力により強く束縛された励起子を形成するため，このままでは光電流を発生しない．励起子はフラーレン誘導体に代表される電子アクセプターとの相分離界面において電荷分離することで自由電荷を生成し，それらが電極まで輸送されてはじめて光電流として回収される．これら一連の光物理現象はフェムト秒(10⁻¹⁵ s)からマイクロ秒(10⁻⁶ s)の高速かつ広範な時間スケールで生じる．本報では，励起子の発生から自由電荷の回収に至る一連の素過程を，超短パルスレーザを用いた過渡吸収分光法により探究した研究成果を解説する．

Over the past decade, polymer solar cells (PSCs) utilizing π-conjugated polymers have attracted widespread interest because of their potential advantages such as light-weight, thin film flexibility, and low-cost manufacturing. Upon light absorption, singlet excitons, i.e. Coulombically bound electron-hole pairs, are promptly generated in conjugated polymers. As the excitons cannot dissociate into free carriers due to the small dielectric constant of organic materials, an electron donor/acceptor (D/A) heterojunction is necessary for photovoltaic application. As a result of the offset in molecular orbital energy levels at the D/A interface, excitons are separated into electrons on the acceptor- and holes on the donor-side. The electrons and holes are then transported to each electrode to be collected as photocurrent. These photovoltaic conversion processes undergo in the fast and wide temporal range from femto- (10⁻¹⁵ s) to microseconds (10⁻⁶ s). In this paper, I provide a comprehensive review of photovoltaic conversion mechanisms in PSCs.