大阪大學產業科學研究所的陣内青萌助教、家裕隆教授與岡山大學環境生命自然科學學域的山方啓教授、神戶大學分子光科學研究中心的小堀康博教授、名古屋大學研究生院資訊學研究科的東雅大教授等人合作，透過引入分離有機半導體分子的前緣軌道空間的分子設計，成功降低了有機半導體的激子束縛能。研究人員使用新開發的有機半導體材料試製了喻體異質接面型的有機太陽能電池，結果發現這種材料具有較小的激子束縛能，表現出比傳統材料更優越的太陽能電池特性。上述研究揭示了有效的分子設計準則的一部分，將有助於製作基於新驅動原理的新型光電器件。相關研究成果已刊登在期刊《Angewandte Chemie International Edition》的線上速報版上。
圖1. 本研究開發的有機半導體分子概要（供圖：大阪大學）
有機太陽能電池的能量轉換效率在很大程度上取決於有機半導體接受發光能量之後生成自由電子和電洞（即電流來源）的效率。但由於有機半導體的相對介電常數通常小於硅等無機半導體，即使接收發光能量，負電荷和正電荷也會在庫侖重力（激子束縛能）的作用下被蠻力束縛在一起，導致向自由電荷的轉變程序難以推進，這已成爲技術隊形變換中的一大難題。
研究團隊此前曾發現，透過引入增大有機半導體介電常數的分子設計，可以降低激子束縛能。
另一方面，透過增大庫侖公式中的R（激發態中正電荷和負電荷之間的距離）也有望降低激子束縛能。然而，着眼於激發態電荷之間距離的有機半導體材料尚未被廣泛開發。
通常，在接收了發光能量的激發態有機半導體分子中，會出現佔據分子軌域的電子從最高被佔軌道（HOMO）轉移到最低虛擬軌域（LUMO）的現象，分子内的HOMO所在位置帶正電荷，LUMO所在位置帶負電荷。
本次研究中，研究團隊透過實施HOMO和LUMO在分子内的空間分離設計（即增大R值的設計），開發出了比傳統材料ITIC激子束縛能更小的有機半導體分子（SpiroT-DCI）。
以開發的有機半導體分子作爲受光的接受者材料，PBDB-T作爲釋放電子的供體材料，研究團隊製備了一種喻體異質接面型有機太陽能電池，結果發現，新材料反映出了較小的激子束縛能，比傳統材料（ITIC）和對照材料（SpiroF-DCI）具有更優越的太陽能電池特性。另外，研究人員以此次開發的SpiroT-DCI的單成分型膜爲發電層試製了太陽能電池，結果顯示其量子效率最高爲3.6%，雖然能量轉換效率較低，但這種材料能作爲單成分有機太陽能電池發揮作用。
家教授表示：「激子束縛能不僅是有機太陽能電池的重要參數，也是提升有機光感測器、有機光觸媒等基於有機材料的光電設備性能、以及開發新功能的關鍵參數之一。本研究成果有望成爲新型光功能材料分子設計的指導方針之一。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Angewandte Chemie International Edition
論文：Nonfullerene Acceptors Bearing Spiro-Substituted Bithiophene Units in Organic Solar Cells: Tuning the Frontier Molecular Orbital Distribution to Reduce Exciton Binding Energy
DOI：doi.org/10.1002/anie.202412691
