Chapter 5. Conclusion of this thesis
5.2. Perspective
Through the doctoral study, the mechanism of photovoltaic effect in the -conjugated FLC systems was clarified. However, the characteristics of the photovoltaic effect remain low level. At the end of this doctoral thesis, the author points out some present drawbacks as follows.
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(1) Low absorption efficiency of solar spectrum over wide wavelength range
The visible and near infrared light did not contribute to the bulk photovoltaic effect, because the main absorption band of FLC phenylterthiophenes lies in the near UV area. Therefore, total incident photon-to-current conversion efficiency was very low. For improving the efficiency, the development of -conjugated ferroelectric liquid crystal systems with strong absorption band in the visible light region will be desired. The extention of -conjugated unit provides one approach. The other strategy is -conjugated FLC compound-dye composite system for utilizing a spectral sensitization.
(2) Imperfect surface stabilization and immobilization of polarized state
The suppression of polarization relaxation behavior is important to retain the characteristics of bulk photovoltaic effect for long term. Although the improvement of the APV chracteristics was found as described in Chapter 4, the polarized state was only partially retained. The control of helical pitch and tuning of phase transition temperature should be required. To overcome this drawback, the molecular design must be optimized. In addition, the introduction of network structures into the FLC structures provides a structural imobilization method.
(3) Imperfect control of molecular orientation
The ferroelectricity is affected by the molecular orientation and uniaxial planer arrangement is the most suitable orientation. In this study, the molecular orientation in LC cells was random planer arrangement. In order to obtain a large-area monodomain structures with uniaxial planer alignment, LC materials exhibiting Iso-N*-SmA*-SmC* phase transition behaviors on cooling process is required.
As demonstrated in this study, spontaneous polarization and carrier mobility of -conjugated FLC system are key factors which affect the APV characteristics. Therefore, the optimization of molecular structures is also important for improving both properties and for realizing the large open-circuit voltage exceeding the band-gap. In order to realize high carrier mobility, the utilization of high ordered LC phases and the control of structural defects are is key strategies. To obtain a large spontaneous polarization, the increase of polar groups and the introduction of polar unit on a chiral carbon can offer effective strategies. In addition, bent-shaped -conjugated FLC materials have the potential of providing another type material system exhibiting the APV effect.
Some examples of material design strategies for overcome these drawbacks are as shown in Figure 5-1.
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Figure 5-1. Some examples of material design strategies for future work.
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Accomplishments
Publications Original papers
1. “Photovoltaic effects in ferroelectric liquid crystals based on phenylterthiophene derivatives” (in Chapter 2)
Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, Chem. Lett., 2016, 45, 616-618.
2. “Anomalous photovoltaic effect based on molecular chirality: Influence of enantiomeric purity on the photocurrent response in -conjugated ferroelectric liquid crystals” (in Chapter 3)
Atsushi Seki, Yusuke Funatsu and Masahiro Funahashi, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, accepted.
3. “Anomalous photovoltaic effect in chiral ordered smectic phases of phenylterthiophene derivatives without Junctions: Immobilization of the polarized structure by surface stabilization” (in Chapter 4) Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, To be submitted.
Reference
1. “Dipole-driven self-organization of liquid-crystalline N-heteroacene derivatives showing redox-properties”
Kyosuke Isoda, Ippei Kawamoto, Atsushi Seki, Masafumi Funahashi and Makoto Tadokoro, ChemistrySelect, 2017, 2, 300-303.
Proceeding
1. “Oligothiophene-based chiral LC semiconductors: Circularly polarized light emission and anomalous photovoltaic effect”
Masahiro Funahashi, Taichi Hamamoto, Yusuke Funatsu and Atsushi Seki, Proceedings of IDW 15', 2015, 23-26.
Review
1. “Nanostructure formation based on the functionalized side chains in liquid-crystalline heteroaromatic compounds”
Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, Heterocycles, 2016, 92, 3-30.
Symposium
International symposium (Oral)
1. “Bulk photovoltaic effect in -conjugated ferroelectric liquid crystals”
Atsushi Seki, Jumpei Nakagawa, Yusuke Funatsu and Masahiro Funahashi, third Asian Conference on Liquid Crystals (ACLC 2017), LCC-013, Feb., 2017, Tainan, Taiwan.
2. “Mesomorphic properties of phenylquaterthiophene derivatives comprised of an extended
-conjugated unit”
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Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, IUMRS-ICAM 2017 (The 15th International Conference on Advanced Materials), C3-O30-011, Kyoto (Japan), August, 2017.
International symposium (Poster)
1.
“Mechanistic study on anomalous photovoltaic effect in the ferroelectric liquid-crystalline phase of phenylterthiophene derivatives“
Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, The 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2015), MACR1237, Dec., 2015, Honolulu, Hawaii, USA.
2. “Anomalous photovoltaic effect in ferroelectric liquid crystals based on phenylterthiophene unit”
Atsushi Seki, Jumpei Nakagawa and Masahiro Funahashi, the 26th International Liquid Crystal Conference (ILCC 2016), ILCC2016-211, Aug., 2016, Kent, Ohio, USA.
3. “Stabilization of spontaneous polarization by polymerization in thin films based on ferroelectric liquid-crystalline phenylterthiophene derivatives”
Jumpei Nakagawa, Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, Korea-Japan Joint Forum International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2016 (KJF-ICOMEP 2016), PS-164, Sept. 2016, Fukuoka, Fukuoka, Japan.
Domestic symposium (Oral, in English session)
1. “Influence of the enantiomer ratio upon bulk photovoltaic effect of ferroelectric phenylter- thiophene-based liquid crystals”
Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, The 96th CSJ Annual Meeting (2016), 2B8-47*, Mar., 2016, Kyo-Tanabe, Kyoto.
2. “Mesomorphic and ferroelectric properties of phenylterthiophene derivatives bearing a polymerizable cyclotetrasiloxane moiety at the terminal of side chain”
Atsushi Seki, Jumpei Nakagawa and Masahiro Funahashi, 65th SPSJ Annual Meeting (2016), 1L-15, May, 2016, Kobe, Hyogo.
3. “An anomalous photovoltaic effect in a surface-stabilized π-conjugated ferroelectric liquid crystal”
Atsushi Seki and Masahiro Funahashi, The 97th CSJ Annual Meeting (2017), 3E1-03*, Mar., 2017, Yokohama, Kanagawa.
Domestic symposium (Oral, in Japanese session)
1. 「フェニルターチオフェン骨格を有する液晶性半導体の薄膜状態での強誘電性評価」
関 淳志, 舟橋 正浩, 2015年日本液晶学会討論会, 3B05, 2015年9月, 横浜, 神奈川.
2. 「側鎖に重合性シクロテトラシロキサン環を有するフェニルターチオフェンの液晶性と強誘
電性」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第64回高分子討論会, 1K18, 2015年9月, 仙台, 宮城.
3. 「表面安定化を利用した 共役系強誘電性液晶の異常光起電力効果の特性改善」
関 淳志, 舟橋 正浩, 2016年日本液晶学会討論会, 3B-09, 2016年9月, 大阪, 大阪.
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4. 「In situ重合を利用した 共役系強誘電性液晶の高分子薄膜の作製」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第65回高分子討論会, 3E09, 2016年9月, 横浜, 神奈川.
5. 「共役系強誘電性液晶における異常光起電力効果」
関 淳志, 船津 佑介, 中川 順平, 舟橋 正浩, 第2回液晶若手勉強会, 2016年9月, 加賀, 石 川.
6. 「共役系強誘電性液晶における異常光起電力効果」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第26回日本MRS年次大会, C2-O19-008, 2016年12月, 横浜, 神奈川.
7. 「キラルな側鎖を有するフェニルクォーターチオフェン誘導体の液晶性評価」
関 淳志, 舟橋 正浩, 2017年日本液晶学会討論会, 1B01, 2017年9月, 弘前, 青森.
8. 「機能集積型液晶性半導体の開発: 共役強誘電性液晶の分子不斉に由来したバルク光起電
力効果」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第66回高分子討論会, 3T07, 2017年9月, 松山, 愛媛.
Domestic symposium (Poster)
1. 「フェニルターチオフェンをコアとして有する強誘電性液晶のスメクチック相での電荷輸送
特性」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第19回液晶化学研究会シンポジウム, P-11, 2015年5月, 名古屋, 愛知.
2. 「側鎖末端に環状シロキサン部位を有する液晶性フェニルターチオフェン類縁体の強誘電性
評価」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第5回CSJ化学フェスタ2015, P2-116, 2015年10月, 江戸川, 東京.
3. 「強誘電性液晶での異常光起電力効果」
関 淳志, 舟橋 正浩, 日本化学会新領域研究グループ「エキゾチック自己組織化材料」全体
講演会, P-5, 2015年11月, つくば, 茨城.
4. 「自発分極を有するスメクチック液晶における異常光起電力効果」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第25回日本MRS年次大会, C2-P8-005, 2015年12月, 横浜, 神奈川.
5. “The production of polymerized thin films based on ferroelectric liquid-crystalline phenylterthiophene bearing a cyclotetrasiloxane ring”
中川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 第96回日本化学会春季年会 (2016), 3PC-209, 2016年3月, 京田辺, 京都.
6. 「強誘電性液晶における異常光起電力効果に対する自発分極の影響」
関 淳志, 舟橋 正浩, 新学術研究領域「元素ブロック高分子材料の創出」第3回若手シンポ
ジウム, 2016年3月, 淡路, 兵庫.
7. 「重合性環状シロキサン部位を有する強誘電性液晶の液晶性と電荷輸送特性」
中川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 第20回液晶化学研究会シンポジウム, P02, 2016年7月, 文 京, 東京.
8. 「屈曲型 1,3-Bis(2,2'-bithienyl)-5-fluorobenzene 誘導体の相転移挙動」
関 淳志, 舟橋 正浩, 第20回液晶化学研究会シンポジウム, P37, 2016年7月, 文京, 東京.
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9. 「側鎖末端に重合性の環状シロキサンを有する 共役系強誘電性液晶の異常光起電力効果」
中川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 2016年日本液晶学会討論会, PB-64, 2016年9月, 大阪, 大 阪.
10. 「側鎖末端に環状シロキサンを有する 共役系強誘電性液晶の重合薄膜の作製」
中川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 第6回CSJ化学フェスタ2016, P5-138, 2016年11月, 江戸 川, 東京.
11. 「機能性シロキサンポリマーを指向した 共役系強誘電性液晶」
関 淳志, 中川 順平, 舟橋 正浩, 新学術研究領域「元素ブロック高分子材料の創出」 第4 回若手シンポジウム, 2016年12月, 大津, 滋賀.
12. 「 共役系強誘電性液晶の構造固定化とその効果」
関 淳志, 舟橋 正浩, ExOM&CMS合同シンポジウム, P6, 2017年1月, 福岡, 福岡.
13. “Electronic property of thin films of -conjugated ferroelectric liquid crystal exhibiting anomalous photovoltaic effect”
中川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 第97回日本化学会春季年会 (2017), 1PB-171, 2017年3月, 横浜, 神奈川.
14. 「重合性環状シロキサン部位を導入した 共役強誘電性液晶のスピンコート薄膜特性」 中
川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 第21回液晶化学研究会シンポジウム, P6, 2017年7月,大分, 大分.
15. 「高次のスメクチック相における表面安定化を利用したバルク光起電力効果の特性改善」関
淳志, 舟橋 正浩, 第21回液晶化学研究会シンポジウム, P29, 第21回液晶化学研究会シンポ ジウム, P6, 2017年7月, 大分, 大分.
16. 「重合性環状シロキサン部位を導入した 共役強誘電性液晶のスピンコート薄膜特性」中
川 順平, 関 淳志, 舟橋 正浩, 2017年日本液晶学会討論会, PA57, 2017年9月, 弘前, 青森.
Award
1. 第25回日本MRS年次大会, 横浜, 2015年12月, 奨励賞.
「自発分極を有するスメクチック液晶における異常光起電力効果」
関 淳志, 舟橋 正浩.
2. 第21回液晶化学研究会シンポジウム, 大分, 2017年7月, 優秀ポスター発表賞.
「高次のスメクチック相における表面安定化を利用したバルク光起電力効果の特性改善」
関 淳志, 舟橋 正浩.