次世代の電池の登場。有機太陽電池を開発した研究者達

・電流を発生させるには、2つの粒子が密接に結合しているにもかかわらず分離する必要がある
・これらの2つの粒子、電子と電子正孔は一緒に励起子を形成する
・より高い可動励起子は、より効率的な電荷分離を達成することができる

パデュー大学の物理学者は、長寿命の物理パズルである有機太陽電池に電荷を生成する方法を発見しました。彼らの手法には、電子と正孔が互いに接近したり離れたりすることができる電子正孔界面の使用が含まれます。

有機太陽電池は通常、柔らかい分子でできており、そのほとんどはポリマー太陽電池ですが、無機太陽電池は、ほとんどがシリコンをベースにしており、より剛性の高い材料で開発されています。シリコンセルが現在業界を支配していることは間違いありませんが、硬くて高価です。

一方、有機太陽電池で使用される分子は、柔軟性があり、透過性が高く溶液処理が可能です。また、安価であるため、大量生産の製造コストが大幅に低くなります。そういった点が唯一の欠点です。よって有機セルで電流を生成することは非常に難しい作業なのです。

電子正孔界面

電流を発生させるには、2つの粒子が密接に結合していながらも分離する必要があります。これらの2つの粒子、電子（負電荷）と電子正孔（正電荷）は、一緒に励起子を形成します。粒子を分離するには、電子受容体を介して電子を引き込み、穴を残すインターフェースが必要です。

しかしこれだけでは問題は解決されません。適切な場所にインターフェースを配置しても、電子と正孔は互いに引き付けられるのです。

研究チームは、これらの電子正孔界面が単一の静的状態ではないことを発見しました。それらは互いに近くにある場合もあれば、遠く離れている場合もあります。それらが互いに離れているほど、分離する可能性が高くなります。

また、電子と正孔が遠く離れている場合、非常に動きやすくなり、速く動くことができることがわかりました。負電荷と正電荷の間のこのタイプの高速運動は、これらの界面での分離を促進するのです。

超高速顕微鏡

有機太陽電池はかなり乱雑なので、研究するには難しいものです。そのサイズスケールで光学分光法を実装することはさらに困難です。それらの状態は長期間存在しないため、短時間での解決が必要となります。

研究者は、超高速顕微鏡という名前のツールを構築して、短時間でのプロセスを（時間と空間分解能を結合することによって）観察しました。しかし、それでも空間分解能は十分ではありませんでした。そこで彼らは、分子の配置を調整するために、より大きな2Dインターフェースを構築しました。よって、この問題には、インターフェースと超高速顕微鏡の2つの解決策があります。

より具体的には、ヘテロ界面での電荷移動励起子は、ナノ構造の有機材料を使用して光を電気に変換する際に重要な役割を果たします。彼らは、2Dテトラセンヘテロ構造におけるこれらの励起子の形成と輸送を発見しました。

電子と正孔の移動は数ピコ秒（10〜12秒）で発生し、層間励起子は約0.3eVの結合エネルギーで放出されます。励起子の輸送は、過渡吸収顕微鏡法によって計算され、局在化状態と非局在化状態の共存が明らかになります。

局在化状態と非局在化状態の間のトラッピングおよびデトラッピングのダイナミクスは、平均寿命がほぼ2ナノ秒の拡張指数関数的フォトルミネッセンス減衰につながります。非局在化した励起子は非常に移動性が高く、拡散定数は約1 cm2s-1です。より高い可動励起子は、より効率的な電荷分離を達成することができます。

励起子がどのように分離するかについての知識を持つことは、物理学者が有機太陽電池の新しいインターフェースを開発するのに役立つ可能性があります。これは、まだ利用されていない太陽電池を開発するための材料を意味します。