日本理化學研究所（簡稱「理研」）和日本千葉大學等組成的一個國際聯合研究小組，明確了有機光伏電池高效生成光電流所需的有機半導體的電子能量差。
此次的研究成果有助於查明有機光伏電池的發電機制，同時還可爲旨在提高發電效率的新材料開發貢獻力量。
圖：平面異質接面界面的電子態之間的能量差與電荷生成效率的關係
此次，國際聯合研究小組使用具有不同分子結構和電子能量的電子供體性及電子接受者性有機半導體各4種，製作了合計16個擁有平面異質接面結構的有機光伏電池，系統地調查了材料的電子能量與電流生成效率之間的關係。調查發現，有機半導體的激發態與界面的電荷轉移態之間存在0.2～0.3eV的能量差時，將光轉換爲電流的效率最高。而此前一直認爲很重要的電荷轉移態與自由電荷態之間的能量差，與電荷生成效率（生成的電子與光伏電池吸收的光量子的比例）沒有明確的關係。這個結果將修正目前的有機半導體開發指南。
相關研究論文已於6月7日發表在英國線上科學雜誌《自然通訊》（Nature Communications）上。
研究小組爲定量評測光電轉化效率與有機半導體的電子能量差之間的關係，根據以下戰略展開了研究：①使用平面異質接面，而非體異質接面（圖1a、b）；②透過實驗準確評測異質接面界面附近的電子能量；③結合使用4種電子供體性材料和4種電子接受者性材料，系統地對合計16個元件進行評測（圖1c）。
圖1：有機光伏電池的代表性元件結構與本次研究使用的材料的化學結構
圖2a是有機光伏電池中的電子態概略圖，圖2b是光電轉換的電荷生成效率（生成的電子與光伏電池吸收的光量子的比例），圖2c是激發態與電荷轉移態之間的電子能量差（Egopt-ECT）以及自由電荷態與電荷轉移態之間的電子能量差（ECS- ECT）。
圖2：電子態的概念圖，電荷生成效率與電子能量差之間的關係
電荷生成效率與激發態和電荷轉移態之間的電子能量差有關。圖2b的曲線是根據Marcus電子轉移理論計算得出的電荷轉移機率。電荷生成效率的最大值沒有超過該理論曲線，表明從激發態向電荷轉移態轉變的程序侷限了有機光電轉換。有估計效生成電荷所需的電子能量差爲0.2～0.3eV。另一方面，此前一直認爲，對應電荷轉移態結合能的ECS-ECT等比縮小的話，電荷生成效率會升高，但從圖2c中可以看出，二者之間沒有關係。也就是說，與之前的預測相反，ECS-ECT的能量差對電荷生成效率產生的影響很小。
（日文發佈全文）
文：JST客觀日本編輯部
