日本理化学研究所（简称“理研”）和日本千叶大学等组成的一个国际联合研究小组，明确了有机光伏电池高效生成光电流所需的有机半导体的电子能量差。
此次的研究成果有助于查明有机光伏电池的发电机制，同时还可为旨在提高发电效率的新材料开发贡献力量。
图：平面异质结界面的电子态之间的能量差与电荷生成效率的关系
此次，国际联合研究小组使用具有不同分子结构和电子能量的电子供体性及电子受体性有机半导体各4种，制作了合计16个拥有平面异质结结构的有机光伏电池，系统地调查了材料的电子能量与电流生成效率之间的关系。调查发现，有机半导体的激发态与界面的电荷转移态之间存在0.2～0.3eV的能量差时，将光转换为电流的效率最高。而此前一直认为很重要的电荷转移态与自由电荷态之间的能量差，与电荷生成效率（生成的电子与光伏电池吸收的光子的比例）没有明确的关系。这个结果将修正目前的有机半导体开发指南。
相关研究论文已于6月7日发表在英国在线科学杂志《自然通讯》（Nature Communications）上。
研究小组为定量评测光电转换效率与有机半导体的电子能量差之间的关系，根据以下战略展开了研究：①使用平面异质结，而非体异质结（图1a、b）；②通过实验准确评测异质结界面附近的电子能量；③结合使用4种电子供体性材料和4种电子受体性材料，系统地对合计16个元件进行评测（图1c）。
图1：有机光伏电池的代表性元件结构与本次研究使用的材料的化学结构
图2a是有机光伏电池中的电子态概略图，图2b是光电转换的电荷生成效率（生成的电子与光伏电池吸收的光子的比例），图2c是激发态与电荷转移态之间的电子能量差（Egopt-ECT）以及自由电荷态与电荷转移态之间的电子能量差（ECS- ECT）。
图2：电子态的概念图，电荷生成效率与电子能量差之间的关系
电荷生成效率与激发态和电荷转移态之间的电子能量差有关。图2b的曲线是根据Marcus电子转移理论计算得出的电荷转移概率。电荷生成效率的最大值没有超过该理论曲线，表明从激发态向电荷转移态转变的过程限制了有机光电转换。有估计效生成电荷所需的电子能量差为0.2～0.3eV。另一方面，此前一直认为，对应电荷转移态结合能的ECS-ECT缩小的话，电荷生成效率会升高，但从图2c中可以看出，二者之间没有关系。也就是说，与之前的预测相反，ECS-ECT的能量差对电荷生成效率产生的影响很小。
（日文发布全文）
文：JST客观日本编辑部
