構造拡張によりポリマー半導体の電荷移動度向上に成功ー有機薄膜太陽電池の性能向上にも大きく貢献ー

【本研究成果のポイント】

• ポリマー半導体の剛直性と分子間相互作用を高めることができる新しい縮合多環π電子系骨格の開発に成功。

• 新しいπ電子系骨格を用いたポリマー半導体は従来型より電荷移動度が高まり、有機薄膜太陽電池（OPV）のエネルギー変換効率が約1.3倍向上。

【概要】

高分子化学専攻の大北英生教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科応用化学プログラムの尾坂格 教授、三木江翼 助教らの共同研究チームは、ポリマー半導体に用いる新しいπ電子系骨格を開発しました。これを用いて合成したポリマー半導体は電荷移動度が高く、有機トランジスタ（OFET）の電荷移動度と有機薄膜太陽電池（OPV）のエネルギー変換効率を大きく向上させることに成功しました。

ポリマー半導体は、印刷プロセスで簡便に薄膜化できる半導体であり、OFETやOPVなど次世代の電子デバイスへの応用が期待されています。これらデバイスの高性能化の鍵は、高い電荷移動度を示すポリマー半導体の開発です。その有効な手段として、ポリマー半導体を構成するπ電子系骨格を拡張することが挙げられます。これにより、電荷が流れる道となるπ電子系が、ポリマー鎖内とポリマー鎖間の両方に広がり、電荷が効率的に流れ高い電荷移動度が期待できます。

本研究では、広島大学の研究グループが以前に開発したπ電子系骨格である「ナフトビスチアジアゾール（NTz）」に、更にチオフェンを縮環して構造を拡張した「ジチエノナフトビスチアジアゾール（TNT）」を新たに開発しました。TNTを用いて合成したポリマー半導体（TNT系ポリマー）では、ポリマー鎖が剛直性を持つためねじれにくくなり、分子間相互作用が高まるため、ポリマー主鎖内と主鎖間でπ電子系が広がり、効率的に電荷を輸送できるようになりました。その結果、OFETでは、TNT系ポリマーの電荷移動度は、NTz系ポリマーに比べて大幅に向上し、アモルファスシリコンと同等の移動度である1.0 cm² V⁻¹ s⁻¹を超える高い値を示しました。さらに、OPVでは、TNT系ポリマーのエネルギー変換効率は、NTz系ポリマーに比べて1.3倍向上し、世界最高水準に近い17.4%という高い値を示しました。本研究で開発したTNTを用いてさらにポリマー半導体を開発することで、さらに高いデバイス性能が期待されます。これにより、IoT社会や低炭素化社会の実現に貢献することが期待されます。

本研究成果は、2024年11月18日（月）18時（日本時間）に英国王立化学会の総合科学誌「Chemical Science」にオンライン掲載されました。

研究詳細

構造拡張によりポリマー半導体の電荷移動度向上に成功ー有機薄膜太陽電池の性能向上にも大きく貢献ー

研究者情報

• 大北　英生　京都大学教育研究活動データベース

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高分子化学専攻