チアゾロチアゾールおよびナフトビスチアジアゾール共重合体をベースとした高効率で安定した太陽電池

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14202 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ポリマーベースの太陽電池 (PSC) における重要な課題は、電力変換効率 (PCE) と安定性を向上させることです。ここでは、ポリマー主鎖にチオフェン、チアゾロチアゾール、ナフトビスチアジアゾールを含む新しい半導体ポリマーの開発について説明します。このポリマーは、良好な溶解性と溶液加工性、約 1.57 eV の狭いバンドギャップと約 -5.40 eV の低い HOMO エネルギー準位を備えた適切な電子構造、および好ましいフェースオン主鎖配向を備えた高度に秩序化された構造を備えていました。このポリマーと PC71BM をベースにした太陽電池は、最大 9% という非常に高い PCE を示しました。さらに興味深いことに、この細胞は窒素雰囲気下の暗所で85℃で500時間保存した場合でもPCEの劣化が無視できるほどであり、優れた安定性も示しました。これらの結果は、新しく開発されたポリマーがPSCの実用化に有望な材料であることを示しています。

p 型材料として半導体ポリマー、n 型材料 (PSC) としてフラーレン誘導体で構成されるバルクヘテロ接合 (BHJ) 太陽電池は、溶液プロセスによって生産できる柔軟で大面積の再生可能エネルギー源として非常に注目されています 1,2、 3. 過去 10 年間に多くの半導体ポリマーが開発され、電力変換効率 (PCE) に大幅な改善をもたらしました 4、5、6、7、8。最近では、このようなポリマーを使用した処理方法とデバイス構造の最適化により、PCE がさらに向上し、10% に達しました9、10、11、12、13。

半導体ポリマーに求められる重要な構造的特徴は、整然としたπ-πスタッキング構造と、バックボーン面が基板上に平らに位置する「フェイスオン」バックボーン配向であり、これにより膜厚に沿った電荷キャリアの輸送が容易になります14。同時に、ポリマーはできるだけ多くの太陽光を吸収するために、広い吸収範囲、つまり狭いバンドギャップを持つ必要があり、これにより高い短絡電流密度 (JSC) が発生します。また、半導体ポリマーの HOMO と最低空軌道 (LUMO) の間のエネルギー差に比例する開回路電圧 (VOC) を最大化するには、低い最高被占分子軌道 (HOMO) エネルギーレベルを持つ必要もあります。フラーレン誘導体の研究15,16。これらの要件を満たすために、電子が豊富なユニット（ドナー; D）と電子が少ないユニット（アクセプター; A）から構成されるドナー-アクセプター（DA）ポリマーが広く研究されています17、18、19、20。

最近、我々は、それぞれ D ユニットと A ユニットとしてアルキルチオフェンとチアゾロチアゾール (TzTz)21,22,23,24,25,26 をベースにした DA コポリマー系 (PTzBT、図 1) が、比較的高い PCE を示したことを報告しました。従来のセルでは約 7.5% です 27,28。高いパフォーマンスは、おそらく、整然とした密接なπ-π積層構造と、フェースオン配向に由来していると考えられます。 PTzBT の HOMO エネルギーレベルは約 10 と低いですが、太陽電池では-5.2 eVで約0.9 Vの高いVOCが発生し、1.8 eVの比較的広いバンドギャップ、つまり最大675 nmの吸収範囲により、JSCは約13 mA cm-2に制限されました。したがって、PCE をさらに改善するには、HOMO エネルギーレベルを維持またはさらに低下させながら、PTzBT のバンドギャップを狭くする必要があります。このような電子構造を実現するには、より電子の少ないユニット、つまりより強力なAユニットを主鎖に導入する必要があります。

チオフェンおよびチアゾロチアゾール (PTzBT) およびチオフェン、チアゾロチアゾールおよびナフトビスチアジアゾール (PTzNTz) をベースとした半導体ポリマーの化学構造。

この研究では、チオフェン-TzTz 骨格に加えて、より強力な A ユニットとしてナフトビスチアジアゾール (NTz)6,14,29,30,31,32 を組み込んだ DA ポリマー系について報告します (PTzNTzs、図 1)。 NTz は剛直でπ拡張した縮合環であるため、この新しいポリマー系は、前述のような適切な電子構造に加えて、規則正しいπ-π積層構造を有することが期待されます。 PTzNTz の合成、電子構造、秩序構造と太陽電池の性能について説明します。また、興味深いことに、PTzNTz ベースの太陽電池は、PTzBT ベースの太陽電池と比較して優れた熱安定性を示したことにも注目します。

すべてのポリマーは、R1 (1a-1b) としてチオフェン環上の 2-エチルヘキシル基 (EH) または 2-ブチルオクチル基 (BO) を有するスタニル化 TzTz モノマーと、BO を有する臭素化 NTz モノマーを使用した Stille カップリング反応によって合成されました。チオフェン環上の 2-ヘキシルデシル基 (HD) を R2 (2a-2b) として使用します (スキーム S1)。したがって、4 つの異なる側鎖の組み合わせを持つ PTzNTz (PTzNTz-EHBO、-EHHD、-BOBO、-BOHD) が合成されました。溶解度は PTzNTz-EHBO とその他の間で大きく異なりました。一方、PTzNTz-EHBO は熱クロロベンゼン (CB) または o-ジクロロベンゼン (DCB) に可溶でしたが、PTzNTz-EHHD、-BOBO、および -BOHD はクロロホルム (CF)、CB および DCB にも約 100 ℃未満で可溶でした。 40℃。興味深いことに、TzTz よりもπ拡張した環を持つ NTz が主鎖に導入されているにもかかわらず、PTzNTz の溶解度は PTzBT と比較して向上しました。たとえば、CB 中の 5 g/L 溶液を調製するために、PTzBT-BOHD は約 100 °C での加熱が必要でしたが、同じ側鎖の組み合わせを持つ PTzNTz-BOHD では加熱は必要ありませんでした。 PTzNTz-EHBO、-EHHD、-BOBO、および -BOHD の 140 で GPC で評価した数平均分子量 (Mn) は約 30 ～ 50 kDa で、多分散指数 (PDI) は約 2 でした (表 1)。ポリマーの熱特性は、示差走査熱量測定 (DSC) によって研究されました。 PTzNTz-EHHD、-BOBO、および -BOHD は 250 ～ 300 °C の間で遷移ピークを示したが、PTzNTz-EHBO は 350 °C 未満では遷移ピークを示さなかったことが明らかになりました (図 S6)。これは、PTzNTz-EHBO が他のものよりもより剛直な構造と強い凝集性を持っていることを意味します。これはおそらくアルキル側鎖が短いためであり、これが溶解度の違いと相関していると思われます。

ポリマーのHOMOエネルギー準位（EHOMO）とLUMOエネルギー準位（ELUMO）は、ポリマー薄膜を使用したサイクリックボルタンメトリーによって評価されました（図2a）。すべてのポリマーは同様のボルタモグラムを示し、側鎖の影響が無視できることを示唆しています。酸化および還元開始電位はそれぞれ約 1.07 ～ 1.08 V および -0.89 ～ -0.91 V で、これは -5.40 ～ -5.41 eV の EHOMO および -3.44 ～ -3.46 eV の ELUMO に相当します (表 1)。強力なアクセプターユニットNTzの導入から予想されたように、PTzNTzのEHOMO（約-5.40 eV）はPTzBTのEHOMO（約-5.31 eV、表S2）よりも低かった。 PTzBT (-3.25 eV、表S2) から PTzNTz への ELUMO の下方シフトは EHOMO よりも顕著でしたが、一般にアクセプターユニットは HOMO33 よりも LUMO に大きな影響を与えるため、これは自然なことです。 EHOMO は、空気中光電子分光法 (PESA) によっても評価されました。 EHOMO は約 -5.30 eV で、これより約 5.30 eV 低くなりました。 PTzBT より 0.1 eV であり、これは CV から得られた結果と一致しています。

ポリマー薄膜のサイクリックボルタモグラム (a) および紫外可視吸収スペクトル (b)。

図 2b は、薄膜内のポリマーの UV-vis 吸収スペクトルを示しています。すべてのポリマーは、400 ～ 800 nm の吸収範囲を持つ同様のスペクトルを示しました。吸収極大 (λmax) は約 100 mA でした。 680 nm (表 1)、PTzBT の波長から 60 nm だけ赤方偏移しました。吸収端 (λedge) は約 100 μm であると測定されました。 790 nm。これは 1.57 ～ 1.58 eV の光学バンドギャップ (Eg) に相当します (表 1)。これらの値は PTzBT の値より約 0.2 eV 小さかった。したがって、分子設計から予想されるように、PTzNTz は PTzBT よりも狭い Eg と低い EHOMO の両方を持ちます。

ポリマーの規則構造は、X 線回折研究によって調査されました 34。インジウム錫酸化物 (ITO) 上のポリマーのみのフィルムとポリマー/[6,6]-フェニル-C71-酪酸メチルエステル (PC71BM) ブレンドフィルムの二次元斜入射 X 線回折 (2D GIXD) 画像）/ZnO基板を図3に示します。ポリマーのみの膜（図3a）では、π-π積層構造（q≈1.65〜1.70Å−1）に対応する回折がqz軸上に明確に現れました。 PTzNTz-EHBO および -BOBO は、それらが好ましいフェースオン配向の結晶ドメインを形成したことを示しています。これらのポリマーの π-π 積層距離 (dπ) は、それぞれ 3.69 Å と 3.72 Å でした (図 S8、表 S3)。その間、PTzNTz-EHHD および -BOHD の π-π 積層回折は非常に弱く見え、PTzNTz-EHHD および -BOHD の dπ はそれぞれ 3.77 Å および 3.80 Å と広くなり (図 S8、表 S3)、結晶化度が低いことを示しています。低かったです。 dπ の違いは、この系では側鎖として HD 基を使用することで分子間相互作用が減少することを示しています。 NTz はよりπ拡張された融合リングであるため、π-π スタッキングが強化されることが期待されるにもかかわらず、これらの dπ 値は PTzBT の値 (3.5 Å) よりも広いことにも注意してください。これは、アルキル基の配置の違いによって説明できます。 PTzBT では、チオフェン環上のすべてのアルキル基が TzTz を向いています。一方、PTzNTzでは、TzTzに隣接するチオフェン環上のアルキル基がTzTzの方向を向いているのに対し、隣接するNTzはNTzの外側を向いています。 PTzBT の規則的に配置されたアルキル基と比較して、PTzNTz ではアルキル基自体が規則的に配置されていないため、何らかの形で π-π 相互作用が弱まる可能性があります。 PTzNTz と PTzBT の結晶化度の違いは、明らかに溶解度の違いと相関しています。また、特にPTzNTz-EHBOよりもアルキル基が長いと相互作用が弱くなり、溶解度が著しく高くなる。

ポリマーのみのフィルム (a)、DIO (1%) を使用したポリマーのみのフィルム (b)、ポリマー/PC71BM ブレンドフィルム (c)、および DIO (1%) を使用したポリマー/PC71BM ブレンドフィルム (d) の 2D GIXD パターン）。アルキル基は各画像の右上に示されています。

CB溶液から製造されたポリマー/PC71BMブレンドフィルム（図3c）では、PTzNTz-EHBOのみがqz軸に沿った明確なπ-πスタッキング回折を示しました。 PC71BMとブレンドしてもdπは変化しなかった。 PTzNTz-BOBO ブレンドフィルムも π-π 積層回折を示しましたが、強度は非常に弱かったです。ブレンドフィルムの結果は、ポリマーのみのフィルムの結果と一致しています。対照的に、1,8-ジヨードオクタン（DIO）を溶媒添加剤としてフィルム製造に使用した場合35、すべてのポリマーは、フェースオン微結晶のπ-πスタッキングに対応する回折を示しました（図3d）。特に PTzNTz-EHHD、-BOBO、および -BOHD の順序構造が強化されました。 DIO 支援膜における PTzNTz-EHBO と他の膜との間の異なる挙動は、次のように説明できます。 PTzNTz-EHHD、-BOBO、および -BOHD の場合、溶解度が高く、凝集性が弱いため、DIO の添加により PC71BM の結晶化が遅くなる可能性があり、その間、多くのポリマーで典型的に見られるようにポリマーが結晶化します 36。また、DIO の添加により、ポリマーのみのフィルムにおける PTzNTz-EHHD、-BOBO、および -BOHD の結晶化がさらに促進されることにも注目してください（図 3b）。これは、π-π スタッキング回折が鮮明に見え、ラメラ回折が次のように見えたためです。 DIO を含まないポリマーのみのフィルムと比較してスポット状です。対照的に、PTzNTz-EHBO の場合、凝集性が強く、溶解度が低いため、DIO の添加に関係なく (PC71BM の結晶化速度に関係なく)、良好に結晶化します。以下に示すように、改良された秩序構造は太陽電池の性能と一致しています。

原子間力顕微鏡 (AFM) によってポリマー/PC71BM ブレンドフィルムの表面形態を調査しました (図 4)。 CBで製造されたブレンドフィルム（図4a）では、PTzNTz-EHBOフィルムは十分に相分離した形態を形成し、これによりポリマー/PC71BM界面領域が拡大し、したがって他のポリマー、特にPTzNTz-BOBOの電荷分離が確実になります。および -BOHD は、電荷分離に有害な大きなドメインを形成しました。一方、DIO補助ブレンドフィルム（図4b）では、PTzNTz-EHBOでは形態変化が観察されなかったのに対し、他のポリマーでは形態の劇的な改善が観察されました。これらの結果は、以下に説明するポリマーの太陽電池性能ともよく一致しています。

PTzNTz/PC71BM ブレンドフィルム (a) および DIO (1%) 支援 PTzNTz/PC71BM ブレンドフィルム (b) の AFM 画像。

ポリマーの光起電力特性を調査するために、ITO/ZnO/活性層/MoOx/Ag という逆構造の太陽電池が使用されました。 PC71BM を n 型材料として使用し、活性層は CB 溶液から製造しました。最適なポリマーと PC71BM の重量比は、すべてのポリマーで 1:1.5 でした。模擬AM 1.5G太陽光照射（100 mW / cm2）の1太陽の下でのセルの電流密度（J）-電圧（V）曲線と外部量子効率（EQE）スペクトルをそれぞれ図5a、bに示します。。太陽光発電パラメータを表 2 にまとめます。すべてのセルは、0.84 ～ 0.85 V の同様の VOC を示しました。PTzNTzs の EHOMO は PTzBT の EHOMO よりも 0.1 eV 低かったものの、PTzNTzs セルの VOC は 0.03 ～ 0.04 V わずかに減少しました。エネルギー損失の原因はまだ不明です。 PTzNTz-EHBO セルは、PTzBT セル (約 13 mA cm-2) と比較して、約 16.0 mA cm-2 という比較的高い JSC を示しました28。これは主に、EQE スペクトルで見られるように、400 ～ 800 nm をカバーする PTzNTz-EHBO セルのより広いスペクトル応答によるものです。興味深いことに、PTzNTz-EHHD、-BOBO、および -BOHD を使用したセルは、約 2 ～ 4 mA cm-2 という大幅に低い JSC を示し、これは EQE スペクトルと一致しています。曲線因子 (FF) は、PTzNTz-EHBO (0.67) を使用したセルの方が、他のポリマーを使用したセル (<0.6) よりも高かったことがわかります。 PTzNTz-EHBO ブレンド膜は製造時に他のセルよりも高い結晶構造と良好な相分離構造を示したため、PTzNTz-EHBO セルの JSC および FF が他のセルよりも高いことは、2D GIXD および AFM 研究の結果とよく一致しています。 CBソリューションから。その結果、PTzNTz-EHBO セルは最大 9.0% (JSC = 16.0 mA cm-2、VOC = 0.84 V、FF = 0.67) の PCE を示し、他のポリマーセルの PCE は 1.2 ～ 2.1% でした。

PTzNTzs に基づく太陽電池の J-V 曲線 (a、c) と EQE スペクトル (b、d)。

(a、b) 活性層は CB 溶液からスピンされました。 (c、d) 活性層は CB/DIO (1 v/v%) 溶液からスピンされました。

ただし、溶媒添加剤として1％のDIOを含むCB溶液から活性層を製造した場合、PTzNTz-EHHD、-BOBO、および-BOHDを使用したセルのPCEが著しく改善されたことに注意してください（図5c）。特に、PTzNTz-EHHD および -BOBO を使用した DIO 支援セルでは、JSC がそれぞれ約 16.3 および約 15.6 mA cm-2 まで大幅に増加し、これは PTzNTz-EHBO を使用したセルの値と同様でした。 JSC の増加は EQE の増加と一致しました (図 5d)。 PTzNTz-EHHD および -BOBO セルでは、DIO の添加によって FF も 0.6 以上に増加しました。したがって、これらのポリマーを使用したセルの PCE は、DIO の結合により大幅に改善されました。PTzNTz-EHHD では 2.1% ～ 8.8%、PTzNTz-BOBO では 1.7% ～ 8.8%、PTzNTz-BOHD では 1.2% ～ 5.2% (表 2) ）。 DIO を使用して製造された PTzNTz-EHBO ベースのセルの PCE は、DIO を使用しないセルとほぼ同様でした。これらのポリマーを使用した電池の性能の向上は、2D GIXD および AFM 研究で観察された変化とよく一致しています。

また、DIO を使用した場合と使用しない場合で製造された PTzNTz-EHBO および DIO を使用して製造された PTzNTz-BOBO を使用したセルの安定性を、PTzBT-BOHD を使用したセルと比較してテストしました。 OPV 安定性に関する国際サミット (ISOS) のコンソーシアムによって達成された合意に基づいて、デバイスの安定性をテストするための手順がいくつか確立されています 37,38。この研究では、85 °C の暗所でセルをテストすることにしました。これは ISOS-D-337 カテゴリーに相当します。接着剤などのカプセル化に関する劣化を避けるために、セルをカプセル化せずにテストし、グローブボックス内のホットプレート上に保管しました。図 6a は、保存時間の関数としての PCE の変化を示しています。 PTzNTz-EHBO セルの PCE は、500 時間後に 8.6% から 7.5% に徐々に減少しました。これは、初期 PCE からの 13% の低下に相当します。 DIO 支援 PTzNTz-EHBO セルも同様の挙動を示し、PCE は 13% 低下しましたが、PCE は 8.6% から 7.5% に減少しました。これは、PTzNTz システムのこれらの条件下では、DIO がデバイスの安定性に影響を及ぼさないことを示唆しています。 DIO 支援 PTzNTz-BOBO セルも同様の挙動を示し、PCE が 13% 低下しましたが、PCE は 8.3% から 7.2% に減少しており、側鎖の影響が無視できることを意味しています。対照的に、PTzBT-BOHD セルの PCE は初期段階で大幅な低下を示しました。 PCE は 1 時間後に 7.2% から 3.4% に減少しましたが、その後はわずかな低下しか示さず、500 時間後には全体で 57% 低下しました。 PTzNTzs セルと PTzBT-BOHD セル間の熱安定性の大きな違いは、VOC と FF の違いに起因します (図 S12)。ただし、違いの性質はまだ理解していません。

CB 製 PTzNTz-EHBO および CB/DIO (1 v/v%)、CB/DIO 製 PTzNTz-BOBO (1 v/v%)、および CB 製 PTzBT-BOHD を使用したセルの保管中の PCE の変化グローブボックス内で 85 °C で 500 時間。

MoOx (a) および WOx (b) は、セルの正孔輸送層として使用されました。

興味深いことに、正孔輸送層である MoOx を WOx に置き換えると、セルの熱安定性が大幅に向上しました (図 6b)。ここでテストしたすべての PTzNTzs セルは、PTzNTz-EHBO、DIO を含む PTzNTz-EHBO、および DIO を含む PTzNTz-BOBO の初期 PCE がそれぞれ 8.3%、7.9%、および 7.9% であり、500 時間後には無視できる程度の劣化を示しました。 PTzBT-BOHD セルの PCE の低下は 500 時間後に 30% でした (PCE は 6.8% から 4.8% に減少しました)。 PTzNTzs セルの安定性向上の主な要因は、JSC ドロップの改善でした (図 S12)。 PTzBT-BOHD セルの改善は主に VOC 降下の改善によるものですが、JSC もわずかに改善されました (図 S12)。 MoOx と WOx を使用したセルの違いは現在調査中です。全体として、正孔輸送層に関係なく、PTzNTzs セルは PTzBT-BOHD セルよりもはるかに安定しています。現在までに、さまざまな条件下での PSC の安定性を示す報告がいくつかあります 39、40、41、42。私たちの知る限り、これは標準化された条件下で約 9% という高い PCE とほぼ完璧な安定性を同時に実証した PSC の最初のレポートです。これらの結果は、ポリマー主鎖への NTz の導入が、太陽電池および PCE の熱安定性にとって有利であることを示唆しています。

新しいチオフェン-チアゾロチアゾール-ナフトビスチアジアゾール半導体ポリマー (PTzNTz) を合成して特性評価し、それらの光起電力特性を調査しました。 PTzNTz の溶解度は PTzBT の溶解度より大幅に向上しました。 PTzNTz は、以前に報告されているチオフェン-チアゾロチアゾールポリマー (PTzBT) と比較して、狭いバンドギャップ (約 1.57 eV) と低い HOMO レベル (約 -5.40 eV) の両方を持っていました。ここで合成したポリマーの中で、側鎖の組み合わせが最も短い PTzNTz-EHBO は、逆型太陽電池において 9.0% もの最高の PCE を示しました。より長い側鎖を持つ PTzNTz-BOBO および -EHHD に基づくセルは、~2% という非常に低い PCE を示しましたが、製造時に溶媒添加剤として DIO を使用すると、PCE が ~8.8% に大幅に改善されました。側鎖の組み合わせが異なるこれらのポリマー間の太陽電池挙動の違いは、結晶化度の違いに起因すると考えられます。興味深いことに、PTzNTzs セルは、N2 雰囲気下、85 °C で 500 時間保管した後も無視できる程度の分解を示し、優れた安定性を示しました。私たちの知る限り、PTzNTzs セルは、高い PCE と高い安定性を同時に備えているという点で最高のパフォーマンスを発揮する PSC です。これらの結果は、PTzNTz が実用化に有望なポリマーであることを示しています。

2,5-ビス(3-(2-エチルヘキシル-5-(トリメチルスタンニル)チオフェン-2-イル)チアゾロ[5,4-d]チアゾール (1a)28 および 2,5-ビス(3-(2-ブチルオクチル) -5-(トリメチルスタンニル)チオフェン-2-イル)チアゾロ[5,4-d]チアゾール (1b)28 5,10-ビス(5-ブロモ-4-(2-ブチルオクチル)チオフェン-2-イル)ナフト[ 1,2-c:5,6-c']ビス[1,2,5]チアジアゾール (2a)31 および 5,10-ビス(5-ブロモ-4-(2-ヘキシルデシル)チオフェン-2-イル)ナフト[1,2-c:5,6-c']ビス[1,2,5]チアジアゾール (2b)31 は報告されている手順に従って合成されました Pd(PPh3)4 (PPh3 = トリフェニルホスフィン) は東京から購入しました化学工業株式会社 (TCI) から購入し、そのまま使用しました。トルエンは使用前に Glass Contour Solvent System で精製しました。重合はマイクロ波反応器、Biotage Initiator で実行しました。ポリマーの分子量は、ポリマーの分子量を評価しました。高温 GPC (140 °C)、TOSOH HLC-8121GPC/HT、溶離液として DCB、ポリスチレン標準を使用。

撹拌子を備えた反応管に、スタンニル化TzTzモノマー(0.10mmol)、二臭素化NTzモノマー(0.10mmol)、Pd(PPh3)4(2.3mg、0.002mmol)およびCB(5mL)を加えた。次に、管をアルゴンでパージし、密閉した。反応管をマイクロ波反応器にセットし、180℃で40分間加熱した。室温まで冷却後、反応液を塩酸５ｍＬを含むメタノール２００ｍＬに注ぎ、５時間撹拌した。次いで、沈殿した固体をメタノールおよびヘキサンで順次ソックスレー抽出し、低分子量画分を除去した。次いで、残渣をクロロホルムでPTzNTz-EHHD、-BOBOおよび-BOHD、CBで抽出し、メタノール200mLで再沈殿させ、暗緑色の固体を得た(収率=PTzNTz-EHBOについては68%、-EHHDについては89%) 、-BOBO の場合は 86%、-BOHD の場合は 75%)。アナル。 C70H92N6S8 (PTzNTz-EHBO) の計算値: C、65.99; H、7.28; N、6.60。実測値：C、65.65; H、7.15; N、6.31。 C78H108N6S8 (-EHHD) の計算値: C、67.58; H、7.85; N、6.06。実測値：C、67.64; H、7.80; N、5.93。 C78H108N6S8 (-BOBO) の計算値: C、67.58; H、7.85; N、6.06。実測値：C、67.62; H、7.74; N、5.98。 C86H124N6S8 (-BOHD) の計算値: C、68.93; H、8.34; N、5.61。実測値：C、68.55; H、8.20; N、5.45。

パターン化された ITO 基板 (アツギマイクロから購入) を最初に、洗剤浴、脱イオン水、アセトン、イソプロパノールで室温で、および煮沸イソプロパノールでそれぞれ 10 分間超音波処理することによって順次前洗浄し、その後 120 °C で 10 分間ベークしました。放送中。次いで、基板を室温で２０分間ＵＶ／オゾン処理に供した。５ｍＬの２－メトキシエタノール中の酢酸亜鉛二水和物（０．５ｇ）およびエタノールアミン（０．１４ｍＬ）から調製した前駆体溶液をスピンコーティング（５０００ｒｐｍ、３０秒）することによってＺｎＯ層を調製した。 ZnO 基板を直ちに空気中 200 °C で 30 分間ベークし、その後アセトン、イソプロパノール、および煮沸イソプロパノールで 10 分間リンスしました。光活性層は、グローブボックス(KOREA KIYON、KK-011AS-EXTRA)内でスピンコーティングにより堆積させた。 5 ～ 7 g/L のポリマーサンプルと各量の PC71BM を含む CB 溶液を 100 °C で 30 分間保持しました。熱いＣＢ溶液を基板上に６００ｒｐｍで２０秒間直接スピンコートした。薄膜をグローブボックスに接続された真空蒸発器 (ALS Technology、E-100J) に移し、MoOx 層 (7.5 nm) または WOx 層 (15 nm) を堆積し、続いて Ag 層 (100 nm) を堆積しました。 nm）。セルの有効面積は 0.16 cm2 でした。セルのJ-V特性は、ソーラーシミュレータ（三栄電機、XES-40S1）を使用し、窒素雰囲気下、1太陽（AM1.5 G）の条件下でKeithley 2400ソースメジャーユニットを使用して測定しました。光強度は、基準太陽電池（産業技術総合研究所で認定されたコニカミノルタ AK-100）を使用して校正されました。 EQEスペクトルは、スペクトル応答測定システム（SOMA OPTICS、S-9241）を使用して測定しました。光起電特性を収集するために、10 を超える異なるデバイスが作成され、測定されました。熱安定性テストでは、セルをグローブボックス内の 85 °C のホットプレート上に保管しました。 J-V 特性は 1、2、6、24、100、200、500 時間後に測定されました。

この論文の引用方法：斉藤正ほかチアゾロチアゾールおよびナフトビスチアジアゾールコポリマーをベースとした高効率で安定した太陽電池。科学。議員 5、14202; 土井: 10.1038/srep14202 (2015)。

Yu, G.、Gao, J.、Hummelen, JC、Wudl, F. & Heeger, AJ ポリマー太陽電池: 内部ドナー - アクセプターヘテロ接合のネットワークによる効率の向上。サイエンス 270、1789–1791 (1995)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Günes, S.、Neugebauer, H. & Sariciftci, NS 共役ポリマーベースの有機太陽電池。化学。改訂 107、1324–1338 (2007)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

クリストフ、B. & シャーフ。 U. 有機太陽光発電: 材料、デバイス物理学、および製造技術。（2008年）。

Liang、Y.ら。電力変換効率 7.4% の明るい未来を実現するバルクヘテロ接合ポリマー太陽電池。上級メーター。 22、E135–138 (2010)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

チェン、H.-C. 他。電力変換効率8.0%のフッ素化キノキサリン系共重合体太陽電池の顕著な短絡電流。化学。メーター。 24、4766–4772 (2012)。

記事 CAS ADS Google Scholar

カバネトス、C. et al. ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェン-チエノ[3,4-c]ピロール-4,6-ジオンポリマーの直鎖側鎖は、自己組織化と太陽電池の性能に影響を与えます。混雑する。化学。社会 135、4656–4659 (2013)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

大坂 I.、加柄 T.、竹村 N.、小金沢 T.、滝宮 K. 太陽電池用ナフトジチオフェン - ナフトビスチアジアゾール共重合体: アルキル化によりポリマー主鎖が平坦になり、効率が向上します。混雑する。化学。社会 135、8834–8837 (2013)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Ye、L.、Zhang、S.、Zhao、W.、Yao、H.、Hou、J. 直鎖状アルキルチオ側鎖を持つ高効率 2D 共役ベンゾジチオフェンベースの光起電力ポリマー。化学。メーター。 26、3603–3605 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

ピート、J.ら。アルカンジチオールによる処理による低バンドギャップポリマー太陽電池の効率向上。ネイチャーメーター。 6、497–500 (2007)。

記事 CAS ADS Google Scholar

彼、Z.ら。反転デバイス構造を使用したポリマー太陽電池の電力変換効率の向上。ナット。光子。 6、593–597 (2012)。

CAS ADS Google Scholar

Liao、SH et al. カソード中間層としてデュアルドープ酸化亜鉛ナノフィルムを採用することにより、電力変換効率 10.31% に達する単一接合逆ポリマー太陽電池。科学。議員第 4 号、6813 (2014)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu、Y.ら。凝集と形態の制御により、さまざまなケースの高効率ポリマー太陽電池が可能になります。ナット。共通。 5, 5293 (2014)。

論文 CAS ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

ヴォーラ、V.ら。有利な分子配向を利用した効果逆ポリマー太陽電池。ナット。光子。 9、403–408 (2015)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Guo、J.ら。新しい低バンドギャップポリマー、PCBM太陽電池の構造、ダイナミクス、電力変換効率の相関関係。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 B 114、742–748 (2010)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

シャーバー、MC et al. バルクヘテロ接合太陽電池におけるドナーの設計ルール - 10% のエネルギー変換効率に向けて。上級メーター。 18、789–794 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Thompson, BC & Frechet, JM ポリマー・フラーレン複合太陽電池。アンジュー。化学。内部。エド。 47、58–77 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Facchetti, A. 有機エレクトロニクスおよび太陽電池用途向けのπ共役ポリマー。化学。メーター。 23、733–758 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Boudreault, P.-LT、Najari, A.、Leclerc, M. 太陽光発電用途向けの加工可能な低バンドギャップポリマー。化学。メーター。 23、456–469 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Beaujuge、PM & Frechet、JM トランジスタおよび太陽電池アプリケーション向けの pi 機能材料における分子設計と秩序効果。混雑する。化学。社会 133、20009–20029 (2011)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Wu、JS、Cheng、SW、Cheng、YJ & Hsu、CS 有機太陽電池用の多重融合ラダー型アレーンに基づくドナー-アクセプター共役ポリマー。化学。社会改訂 44、1113–1154 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

安藤伸ほかトリフルオロメチルフェニル基を有するπ電子系に基づく高性能n型有機電界効果トランジスタ。混雑する。化学。社会 27、5336–5337 (2005)。

記事 CAS Google Scholar

OSAKA, I.、Sauvé, G.、Zhang, R.、Kowalewski, T. & McCullough, RD 有機電界効果トランジスタ用の新規チオフェン-チアゾロチアゾール共重合体。上級メーター。 19、4160–4165 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

大坂Iら短鎖チアゾロチアゾール-チオフェン共重合体における高度なラメラ秩序と非晶質のようなπネットワークにより、高い移動度が得られます。混雑する。化学。社会 131、2521–2529 (2009)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

大坂Iらチアゾロチアゾールをベースとした安定性の高い半導体ポリマー。化学。メーター。 22、4191–4196 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

Meiss、J. et al. 相補的な吸収材料を備えた高効率の半透明タンデム型有機太陽電池。応用物理学。レット。 99、043301 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

スブラマニヤン、S.ら。高性能太陽電池用のチアゾロチアゾール系共重合体半導体に対する側鎖の影響。上級エネルギーメーター。 1、854–860 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

大坂 I.、斉藤 M.、森英、小金沢哲、滝宮 K. 分子量制御と PC61BM とのブレンドによるチアゾロチアゾール共重合体の分子配向の劇的な変化は、太陽電池の高効率につながります。上級メーター。 24、425–430 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

大坂 I.、斉藤 M.、小金沢 T.、滝宮 K. チオフェン-チアゾロチアゾール共重合体: 側鎖組成が主鎖の配向性と太陽電池の性能に与える重大な影響。上級メーター。 26、331–338 (2014)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

真高伸ほか有機化学における窒化硫黄。パート 19. 四窒化四硫黄とナフタレノールおよび関連化合物との反応におけるベンゾおよびベンゾビス[1,2,5]チアジアゾール骨格の選択的形成。ブル。化学。社会ジャップ。 64、68–73 (1991)。

記事 CAS Google Scholar

ワン、M.ら。ナフト[1,2-c:5,6-c']ビス[1,2,5]チアジアゾールをベースとした高性能ポリマー太陽電池用のドナー-アクセプター共役ポリマー。混雑する。化学。社会 133、9638–9641 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

大坂Iらナフトビスチアジアゾールベースの半導体ポリマーの合成、特性評価、トランジスタおよび太陽電池への応用。混雑する。化学。社会 134、3498–3507 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

大坂 I.、安倍 T.、島脇 M.、小金沢 T.、滝宮 K. ナフトジチオフェンベースのドナー - アクセプターポリマー: OFET および OPV 用の多用途半導体。 ACS マクロレット。 1、437–440 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

滝宮 K.、大阪 I. & 中野 M. 有機エレクトロニクスの π ビルディングブロック: π 電子欠損ユニットの「誘導」効果と「共鳴」効果の再評価。化学。メーター。 26、587–593 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Rivnay, J.、Mannsfeld, SC、Miller, CE、Salleo, A. & Toney, MF 分子からデバイススケールまでの有機半導体微細構造の定量的決定。化学。 Rev. 112、5488–5519 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Lee、JKら。バルクヘテロ接合太陽電池の効率を向上させるための処理添加剤。混雑する。化学。社会 130、3619–3623 (2008)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ルー、SJ 他高効率有機太陽電池の活性層成分によって形成される液相凝集体の形態に対する添加剤の影響。混雑する。化学。社会 133、20661–20663 (2011)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ミズーリ州リースら。有機太陽電池材料およびデバイスのコンセンサス安定性試験プロトコル。ソル。エネルギーメーター。ソル。セル 95、1253–1267 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

タネンバウム、DM et al. ISOS-3 の研究室間の協力は、さまざまな有機光起電力デバイスの安定性に焦点を当てました。 RSC アドバンス 2、882–893 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Neugebauer, H. et al. 共役高分子/フラーレンプラスチック太陽電池の安定性と光劣化メカニズム。ソル。エネルギーメーター。ソル。セル 61、35 ～ 42 (2000)。

記事 CAS Google Scholar

ロイド、モンタナら。有機太陽電池の保存寿命に対する接触の進化の影響。 J. メーター。化学。 19、7638–7642 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

ピーターズ、CH et al. 動作寿命が長い高効率ポリマー太陽電池。上級エネルギーメーター。 1、491–494 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ケスターズ、J.ら。ポリマー (PCPDTBT) 側鎖官能基化により有機太陽電池の安定性が向上。化学。メーター。 27、1332–1341 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

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本研究は、文部科学省科学研究費補助金（第24685030号）、さきがけ及びJST先端低炭素技術研究開発事業（ALCA）の支援を受けて行われました。著者らは、2D GIXD 測定におけるサポートについて、小金沢哲博士 (高輝度光科学研究センター) に感謝します。 2次元GIXD実験は、高輝度光科学研究センターの承認を得て、SPring-8のBL46XUで実施されました（課題番号2014A1530）。 MSは理化学研究所のジュニア・リサーチ・アソシエイト・プログラムの支援を受けました。

〒739-8527 広島県東広島市鏡山1-4-1 広島大学大学院工学研究科応用化学専攻

Masahiko Saito & Kazuo Takimiya

理化学研究所創発物性科学研究センター創発分子機能研究グループ、〒351-0198 埼玉県和光市

Masahiko Saito, Itaru Osaka, Yasuhito Suzuki & Kazuo Takimiya

〒102-0075 科学技術振興機構発生的科学技術先端研究（さきがけ）

Itaru Osaka

ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社中央技術研究所〒231-0815 横浜市中区千鳥町８

Takashi Okabe, Satoru Ikeda & Tsuyoshi Asano

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IO はプロジェクトをデザインし、監督しました。 MS と YS がポリマーを合成しました。 MS は、ポリマー特性の測定、薄膜分析、デバイスの製造と測定を実施しました。 MS は TO、SI、TA の支援を受けてデバイスの安定性テストを実施し、MS が原稿の初稿を書き、IO が原稿の最終稿を書きました。 KT、TO、SI、TA が議論に参加しました。著者全員が原稿をレビューしました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

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転載と許可

齊藤正、逢坂一、鈴木裕他チアゾロチアゾールおよびナフトビスチアジアゾールコポリマーをベースとした高効率で安定した太陽電池。 Sci Rep 5、14202 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep14202

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受信日: 2015 年 6 月 22 日

受理日: 2015 年 8 月 21 日

公開日: 2015 年 9 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14202

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