筑波大学数学与材料系教授森智博、樱井武明副教授、国立材料科学研究所光伏材料组高级研究员安田刚、校际综合研究所株式会社高能加速器研究机构、材料结构研究组包括小野宽太副教授、真濑和彦副教授、科学研究所竹一康夫助理教授、研究生院高桥义雄教授科学、国立大学法人广岛大学和米乐m6官方网站 (AIST) 的吉田雄二研究中心。软X射线显微镜，我们研究了有机太阳能电池的纳米结构，发现分子在每个分子区域内混合。这一发现有望阐明有机太阳能电池的能量转换机制，并为高效有机太阳能电池的设计提供指导。
体异质结有机太阳能电池其特点是能量转换效率高。到目前为止，人们认为聚合物材料和富勒烯单分子域之间具有清洁的界面对于提高电池的效率非常重要。然而，由于使用一种称为软X射线显微镜的新技术以优化的转换效率仔细检查样品的域结构，我们发现分子在每个域中混合。换句话说，我们第一次发现接口越脏，电池的性能越好，这一结果颠覆了传统观念。
该研究成果发表在日本应用物理学会出版的期刊《应用物理快车''网络版上发布。
本研究的部分成果是通过以下项目、研究领域、研究课题等获得的。
①双叶电子纪念财团“有机太阳能电池电荷产生效率测定方法的开发”森友浩
② 日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究促进计划个人研究（PRESTO）“太阳光和光电转换功能”研究领域（研究主管早濑修二）：“同步加速器辐射引起的有机薄膜太阳能电池的能量损失分析”樱井武明
传统上，有机太阳能电池具有有机电子供体（有机p型半导体）和有机电子受体（有机n型半导体）以层状方式连接的结构（p-n异质结）。然而，近年来，已经开发出通过混合这两种材料制造的本体异质结类型，由于其高能量转换效率，它有望成为下一代太阳能电池。这种类型的太阳能电池表现出高能量转换效率的原因被认为是由于电子供体聚合物材料和电子受体富勒烯之间的纳米域键合所产生的大键合表面。然而，真正研究每个分子区域内结构的报道很少，特别是通过改变热处理条件优化能量转换效率的混合膜中的键合状态等细节尚未明确。
因此，该研究小组在高能加速器研究组织光子工厂使用了一种称为软X射线显微镜的新方法，以优化转换效率来研究样品的畴结构。结果，很明显分子在每个域中混合（图 1）。也就是说，我们第一次发现接口越脏，电池的性能越好。
 |
| 图 1 先前认为的键合状态（左）和本研究揭示的分子混合产生的结构（右） |
液晶共轭聚合物是一种倾向于形成周期性纳米分子区域作为电子给体聚合物的组合F8T2，电子受体富勒烯电脑71BM创建了混合分子膜并用软X射线显微镜观察。
F8T2 和 PC 在软 X 射线区域，如图 2 所示71显示 BM 的吸收光谱。这种吸收光谱是由碳原子产生的，碳原子是构成有机化合物的主要元素。如图所示，两个分子的光谱明显不同，表明它们的结构也不同。
 |
| 图2 F8T2和PC在软X射线区域71BM的吸收光谱 |
在测量中，我们使用了在240度高温下热处理的混合膜（膜A）和在80度低温下热处理的混合膜（膜B）。膜A的纯聚合物区域和纯富勒烯区域之间具有完全的相分离，能量转换效率为081%。在膜B中，没有观察到相分离，F8T2/PC71BM混合膜中能量转换效率最高（228%）。首先，我们测量了 A 膜的吸收强度图像（图 3）。将软X射线的能量调整到图2中的a、b、c和d位置。例如，当沿着富勒烯的吸收峰（b）测量图像时，观察到黑白（相分离）之间的清晰对比度，如图3（b）所示。白色部分对应富勒烯区域，黑色部分对应聚合物区域。
 |
| 图3 A膜的软X射线吸收强度图像 |
接下来，我们测量了薄膜 B 的吸收强度图像，该图像显示了最高的能量转换效率（图 4）。同样，当沿着富勒烯的吸收峰测量图像时，相分离很小并且有些不清晰，但观察到白色和黑色之间的对比度，如图4（b）所示。
 |
| 图4 B膜的软X射线吸收强度图像 |
接下来，我们详细检查了白色和黑色区域的吸收光谱。图 5 显示了白色区域（白色圆圈）中的光谱示例。此频谱为F8T2和PC71BM 与任何吸收光谱都不匹配。然而，电脑71将BM的吸收光谱以066的比例（体积比）与F8T2的吸收光谱以023（黑线）相加，结果与白色区域的吸收光谱具有良好的一致性。传统上，在聚合物区域和富勒烯区域中，纯组分的区域连接在一起。根据该结果，考虑到每种组分的密度的计算表明，29重量%的聚合物混合在富勒烯区域中（图5）。当对黑色区域进行类似分析时，发现在聚合物区域中混合了33重量%的富勒烯。
 |
| 图5 富勒烯分子区域的软X射线吸收光谱 |
这项研究表明，分子混合对本体异质结有机太阳能电池的能量转换效率起着重要作用。此外，通过使用软X射线显微镜研究偏振依赖性，认为可以澄清聚合物区域和富勒烯分子区域之间的界面处的分子取向。该研究小组将阐明有机太阳能电池的能量转换机制，为高效有机太阳能电池的开发做出贡献。