ナノ分子科学研究部門（分子スケールナノサイエンスセンター）
平 本 昌 宏（教授） （2008 年 4 月 1 日着任）
A -1).専門領域：有機半導体，有機太陽電池，有機エレクトロニクスデバイス
A -2).研究課題：
a). 有機半導体の pn 制御
b).高効率有機薄膜太陽電池の設計技術の開発 c). p-i-n 有機太陽電池の共蒸着 i 層ナノ構造の設計
A -3).研究活動の概略と主な成果 a)
a-1).フラーレン（C60）を p 型化できるドーパントの発見；有機半導体における精密な pn 制御技術の確立によって初めて，有機 薄膜太陽電池の本質的効率向上ができるという考えに基づき，C60薄膜のフェルミレベルに対するドーピング効果を検討した。 p 型化ドーパントとして，MoO3，V2O5，W O3，R uO2等の金属酸化物を検討し，MoO3，V2O5等が p 型化に有効なことを見 いだした。その中で特に有効であった MoO3を用いて検討を行った。n 型化ドーパントとして，水素，L i@C60（L i 内包フラー レン），P，C a 等を検討したが，C a が最も効果的であったため，当面 C a を使用している。ただ，金属は再結合中心になるな どの副作用が予想されるため，探索を継続中である。以下，p 型化について述べる。本年度購入した，グローブボックス（純 窒素雰囲気，酸素，水ともに 0.5. ppm 以下）に内蔵した蒸着装置，ケルビンプローブを用いて，全く大気にさらすことなく実 験を行った。セブンナイン（99.99999%，7N）まで超高純度化した C60を，I T O 基板上に 100. nm 厚堆積し，即座にケルビ ン法によりフェルミレベル（EF）を測定した。ドーパントとして MoO3を用い，共蒸着によって 3.6%（36000.ppm），0.3%（3000. ppm）ドーピングした。ノンドープ C60のEFは 4.6.eV にあり，バンドキャップ中央より上で，やや n 型性であることが分った。 MoO3をドープすると，EFは大きくプラスシフトして HOMO 位置（6.4.eV ）に近づき，5.88.eVの値が得られた。この結果は， C60薄膜が p 型化した可能性を強く示唆している。そこで，ノンドープと，MoO3をドープした C60単層セルを，同じグローブ ボックス内蔵蒸着装置を用い，石英窓付セル測定容器へグローブボックス内で移すことで，全く空気にさらさず作製・評価 した。ノンドープの場合，n 型 C60/ 金属界面に形成される，バンドの曲りが下に凸のショットキー接合が，MoO3ドープの場合，
p 型 C60/ 金属界面に形成される，バンドの曲りが上に凸のショットキー接合が形成されていることを，電流−電圧特性，アク ションスペクトル等の，光起電力特性から確認した。すなわち，C60薄膜が M oO3ドーピングによって n 型から p 型になった ことを，光起電力特性からも確認できた。p 型 C60の形成は，世界初の成果である。この成果は，Appl. Phys. Lett. に投稿し， 現在，印刷中である。
a-2).共蒸着膜の pn 制御；n 型性 C60を MoO3ドープによって p 型化できたが，C60単独膜では，ドナー／アクセプター増感がなく， 生ずる光電流量が少ない。そこで，アクセプターの C60にドナーを混合した共蒸着膜を p 型化できるか検討した。今回は， C60との組み合わせで大きな開放端電圧VOCが得られるドナーとしてオリゴチオフェン（a-6T）を用いた。まず，VOCが 0.9. V得られることを確認した。C60:6T 共蒸着膜（6T の割合：3–10%）に，M oO3を三元蒸着でドープした。70. ppm の極微量 をドープできる精密なレート制御技術を確立した。仕事関数が 4.7.eV と 6.7.eVの，IT O と MoO3でサンドイッチしたセル（セ ル構造：IT O/C60:6T 共蒸着膜 [MoO3をドープ ]/MoO3/A g を作製し，IT O 側から光照射して光電変換特性を測定した。ここ では，アクションスペクトル測定の結果を述べる。ノンドープと 400. ppm-MoO3ドープでは，C60:a-6T セルの吸収の裾に光電
流が生じており（マスキング効果），活性領域が光照射側と反対の M oO3電極側にあることが分った。これは M oO3側に n 型のショットキー接合が出来ていることを意味する。一方，1100，4300. ppmドープでは吸収と一致しており，I T O 電極側に 活性領域があることが分かる。これは，I T O 側に p 型のショットキー接合が出来ていることを意味する。以上の結果は，400 –1100. ppm の間で C60:a-6T の伝導タイプが n 型から p 型に劇的に変化していることを示している。本系は，VOCが 0.9. Vあ るため，１ミクロン程度の厚膜セルで，内部抵抗の低減，最適なセル設計を行えば，大きな効率向上につながる可能性を持つ。 共蒸着膜へのドーピングは，未解明の部分が多く，今後，pn ホモ接合や pin ホモ接合の形成，アクセプター（C60）とドナー
（6T ）片方のみにドーピング効果を持つ，選択ドーピング等を追求して，高効率が得られる最適のセル構造を設計できるよう にする必要がある。
a-3).ホール輸送材料のドーピングによるフェルミレベル制御；C60との組み合わせによって，0.7. Vから１V程度の大きな開放端電 圧が得られるホール輸送材料のフェルミレベル（EF）に対するドーピング効果を検討した。ホール輸送材料は透明であるが， C60との共蒸着膜で，ドーピングによってセル内部抵抗を低減し，１ミクロン程度まで厚膜化できれば，C60の吸収によって可 視光全域に感度を持たせることが可能である。ホール輸送材料として T PD，N PD，C B P を用い，IT O 基板上に 100. nm 堆 積した。MoO3を共蒸着によって約 4000.ppmドーピングした。T PD，NPD，C BP すべて，EFは価電子帯（V B）と伝導帯（C B） の中央付近にあり，絶縁体であることを示している。MoO3をドープするとEFは大きくプラスシフトし，それぞれ 4.87，4.95，5.67. eV となり価電子帯（それぞれ，5.3，5.5，6.1. eV ）に近づいた。また，ホール輸送材料と M oO3の体積比 1:1 の共蒸着膜に おいて，近赤外（1000-2000. nm）に明瞭な C T 吸収が観測され，MoO3がホール輸送材料から電子を引き抜いて，p 型化さ せていることが分った。現在，C60との２層型接合セル，共蒸着セルを作製し，セル特性への p 型化の影響を調べている。 a-4).有機半導体の純度評価方法の確立（三菱化学との共同研究）；三菱化学（フロンティアカーボン）との共同研究によって，フ
ラーレン単結晶に対して，T PD-Mass（T emperature. Programmed. Desorption. Mass. Spectroscopy）による純度評価を行い，セ ブンナイン（7N）以上の純度であることを確認した。これは，我々が以前行った SIMS による純度評価とも一致した。 b).
b-1).pn ホモ接合を有する C60太陽電池；MoO3ドーピングにより C60薄膜を p 型化できたので，pn ホモ接合を持つ C60セルの作 製に挑戦した。p 型化には MoO3（4750. ppm）を用い，n 型化には C a（5200. ppm）を用いて，C60へ共蒸着によってドープ した。セル構造は，IT O/MoO3(10. nm)/MoO3-doped. C60(500. nm)/Ca-doped. C60(500. nm)/BC P/A g である。IT O 電極側から光 照射した時，C60の吸収の裾にピークを持つスペクトルが観測され，また，A g 電極側から光照射した時も，C60の吸収の裾 にピークを持つスペクトルが観測できた。どちら側から光照射してもマスキング効果が現れているということは，２つの金属
／有機界面で光電流が生じているのではなく，セルバルクの中央，すなわち pn 接合で光電流を生じていることを意味してい る。また，pn 接合位置を動かすことで，アクションスペクトルの形が敏感に変化し，pn ホモ接合の形成をさらに支持する結 果を得た。以上のように，C60の pn ホモ接合の作製に初めて成功した。
b-2).可視−近赤外全域（400–1100. nm）に感度を持つセルの開発；近赤外域に吸収を有する鉛フタロシアニン（PbPc）と C60の 共蒸着膜（PbPc:C60）と，可視域に感度を有するメタルフリーフタロシアニン（H2Pc）と C60の共蒸着膜（H2Pc:C60）を，接 合したダブルバルクへテロ接合セル（p-i-i’-n セル）を検討中である。このタイプのセルで可視，近赤外全域利用できる可能 性がある。400–1100.nm すべて利用できれば，単結晶シリコンに匹敵する，30.mA /cm
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程度の短絡光電流が得られる。また， PbPc の近赤外感度は PbPc の J凝集体（結晶形の１タイプ）に由来するが，それをナフタロシアニン等のそれ自体が近赤外 に吸収を持つ有機半導体分子に置き換えることも検討中である。現在，当面，効率 7% 越えることを目標に検討している。 c). どのような有機半導体の組み合わせにも普遍的に適用できる，共蒸着膜のナノ構造制御方法を開発している。守秘義務のた
め，今回は詳細を省く。２０１１年春季応用物理学会発表後に報告できる。
B -1). 学術論文
M. HIRAMOTO and H. SHIOKAWA, “One Month Continuous Operation of Organic p-i-n Solar Cells Covered with a Zinc
Oxide Protection Layer,” Appl. Phys. Express 3, 082301 (2 pages) (2010). [Editor’s choice, SPOTLIGHT]
K. NISHIYAMA, T. HANAMOTO, H. SHIGEMATSU, K. KITADA, K. IKETAKI, T. KAJI and M. HIRAMOTO,
“Morphology of Rare-Earth (Y, Sm) Nanostructures Synthesized by the Surfactant-Assenbled Method,” Chem. Lett. 39, 974–976 (2010).
B -3). 総説，著書
平本昌宏 ,.「低分子系有機薄膜太陽電池」「ポリ,. マーフロンティアシリーズ No.32 有機薄膜太陽電池」（株）,. エヌ・ティー・エ ス,.pp..1–32.(2010).
平本昌宏 ,.「有機太陽電池」,電子情報通信学会誌 .Vol. 93(3), pp. 204–211 (2010).
平本昌宏 ,.「低分子系有機薄膜太陽電池の研究開発の現状と今後の動向」,.「太陽電池の基礎と応用」,.日本学術振興会次世 代の太陽光発電システム１７５委員会 ,.小長井誠，山口真史，近藤道雄 ,.編著 ,.培風館 ,.第８章 ,.第４節 ,.pp..304–311.(2010). 平本昌宏 ,.「pin 有機太陽電池」（５−１章）,.「超高純度化と太陽電池特性」（５−２章）,.「有機半導体デバイス—基礎から最 先端デバイスまで」,.学振大１４２委員会 ,.オーム社 ,.pp..299–309.(2010).
平本昌宏 ,.「効率 10% が見え始めた有機薄膜太陽電池」,. 特集：分子相界面を活用した高機能デバイスの革新技術 ,.化学と 工業 .63(2), pp. 131–133 (2010).
平本昌宏 ,.「p-i -n 接合を用いた高効率有機薄膜太陽電池」,.「人工光合成と有機系太陽電池—最新の技術とその研究開発 最新の化学レビュー・シリーズ 第２巻」,. 第 I I 部＜C urrent. R ev i ew ＞研究最前線（第１６章）,.日本化学会編 ,. 化学同人 ,. pp..149–153.(2010).
平本昌宏 ,.「有機系太陽電池—材料・技術動向と課題」,.工業材料誌 ,.特集 最新・太陽電池—普及拡大に向けた技術 動向を探る,.Vol. 58 (No. 4), pp. 54–57 (2010).
平本昌宏 ,.「有機太陽電池」,.レアメタル便覧 ,.第２１章太陽電池 ,.21.3節 ,.発行 ; 丸善（株）.(2010).
平本昌宏 ,.「p-i-n 接合を持つ有機薄膜太陽電池」「エレク,. トロニクスシリーズ—有機薄膜太陽電池の開発動向」,.上原，吉川,. 監修 ,.シーエムシー出版 ,.第 2章第 3節 ,.pp..79–86.(2010).
B -4). 招待講演
M. HIRAMOTO, “Organic p-i-n Solar Cells Incorporating Seven-Nine Purified Fullerene,” The 5th International Workshop on Electronic Structure and Processes at Molecular-Based Interfaces (ESPMI-V), Chiba Univ., Chiba (Japan), January 2010. M. HIRAMOTO, “Organic p-i-n Solar Cells Incorporating Seven-Nine Purified Fullerene,” The 37th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2010),Takamatsu (Japan), May–June 2010.
M. HIRAMOTO, “Solar Cells Using Organic Semiconductors,” International Conference on Core Research and Engineering
Science of Advanced Materials (G-COE, Osaka, Univ.), Osaka Univ. Convention Center, Osaka (Japan), May–June 2010. M. HIRAMOTO, “Organic p-i-n Solar Cells Incorporating Seven-nine Purified Fullerene,” 2010 International Symposium
on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, Toyama (Japan), June 2010.
M. HIRAMOTO, “Organic p-i-n Solar Cells Incorporating Seven-nine Purified Fullerene,” FIRST Symposium on Organic Photovoltaics: Satellite Meeting of ICSM 2010, Kyoto University, Katsura Campusm Funai Tetsuo Auditorium, July 2010.
平本昌宏 ,.「エネルギー問題の解決は科学者の使命—次世代の太陽電池の話—」（一般聴衆に対するエネルギー問題 の話）,.環境技術講座 V ol..2,.岡崎商工会議所 ,.岡崎大学懇話会，岡崎ものづくり推進協議会 ,.コミュニティーサテライトオフィ ス,.岡崎 ,.2010 年 1月.
平本昌宏 ,.「有機薄膜太陽電池の現状と将来」,. 色材セミナー「環境とエネルギー〜太陽電池〜」,. 名古屋市工業研究所 ,. 2010 年 3月.
池滝何以，嘉治寿彦，平本昌宏 ,.「有機薄膜太陽電池のナノ構造制御」,.A T P（T 7..低炭素社会を実現する新エネルギー技術， C..次世代太陽光発電技術）,.日本化学会第９０回春季年会 ,.近畿大学 ,.2010 年 3月.
平本昌宏 ,.「次世代太陽電池—有機太陽電池の現状と将来」,. 岡崎ものづくり推進協議会「太陽電池ゼミナール」,. 岡崎商工 会議所 ,.岡崎 ,.2010 年 4月.
平本昌宏 ,.「有機薄膜太陽電池の技術動向」,. 専門セミナー３ 次世代太陽電池—集光型，有機薄膜型，色素増感型太陽 電池の最 新 動向 —,. PV - J apan. 2010,. 横浜（主催：S E M I，太陽光 発 電 協会，後 援：経 済 産業 省，東 京 都，横浜 市， NE DO）,.パシフィコ横浜 ,.2010 年 6月− 7月.
平本昌宏 ,.「Hole-Transport Highway in Phthalocyanine:C60 i-Interlayer」,.C R E ST 有機太陽電池シンポジウム—光・ナノ・バ イオ技術から光電変換機能への展開—,.京都大学宇治構内おうばくプラザきはだホール ,.京都 ,.2010 年 7月.
平本昌宏 ,.「基礎から学ぶ有機太陽電池」,.２０１０年度印刷・情報記録・表示研究会基礎講座—基礎から学ぶ有機半導 体材料・有機電子デバイス Part.III—,.東京大学弥生講堂 ,.2010 年 7月.
平本昌宏 ,.「低分子有機薄膜太陽電池の最近の進展」,. 応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会講習会. 有機 太陽電池の開発最前線 ,.産総研臨海副都心センター ,.2010 年 11月.
平本昌宏 ,.「有機薄膜太陽電池の基礎と効率向上の方法」,. 有機エレクトロニクス研究開発の最前線—分子技術からデバ イス応用まで—,.大阪電子通信大学・エレクトロニクス基礎研究所 ,.2010 年 12月.
B -6). 受賞，表彰
平本昌宏 ,.国立大学法人大阪大学教育・研究貢献賞.(2006).
平本昌宏 ,.応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会論文賞.(2006). 平本昌宏 ,.J J A P(J apanese.J ournal.of.A pplied.Physics) 編集貢献賞.(2004).
平本昌宏 ,.電子写真学会研究奨励賞.(1996).
B -7). 学会および社会的活動 学会の組織委員等
応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会幹事.(1997–1998,.2001–2002). 応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会年会講演プログラム委員.(2002–2003).
Korea-Japan Joint Forum (KJF)—Organic Materials for Electronics and Photonics, Organization Committee Member (2003– ).
「有機固体における伝導性・光伝導性および関連する現象」に関する日中合同シンポジウム組織委員.(2007–.). 応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会年会講演プログラム委員長.(2008–2009).
Fifth International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE5)(Miyazaki), Organization Committee Member (2009).
文部科学省，学術振興会，大学共同利用機関等の委員等
科学技術交流財団（財）「有機半導体の基礎科学と有機太陽電池への応用に関する研究会」座長.(2009–2011). 学会誌編集委員
Japanese Journal of Applied Physics (JJAP) 誌 編集委員.(2001–2002,.2004–2007). Japanese Journal of Applied Physics (JJAP) 誌 ゲストエディター (2005).
競争的資金等の領域長等
東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究「有機半導体デバイスの基礎と応用」研究代表者.(2003–2005). さきがけ「太陽光と光電変換」研究領域 領域アドバイザー.(2009–.).
B -8). 大学での講義，客員
大阪大学ナノテク社会人教育プログラム第２コース,.「有機薄膜太陽電池 ( I) ( I I)（ナノエレクトロニクス・ナノ材料学）」,. 2010 年 12月 21日.
B -10).競争的資金
科研費基盤研究 (C )(2),.「高効率有機３層接合型固体太陽電池の開発」,.平本昌宏.(2006年 –2007年 ). 科研費基盤研究 (C )(2),.「垂直接合型有機固体太陽電池の開発」,.平本昌宏.(2004年 –2005年 ).
科研費基盤研究 (C )(2),.「分子結晶におけるステップ構造制御と増幅型光センシングデバイス」,.平本昌宏.(2002 年 –2003年 ). 科学技術振興機構特許補完研究プログラム,.「光電流増倍現象等を利用したガス検知方法及びガスセンサー」,. 平本昌宏. (2003年 ).
科学技術振興機構シーズ育成試験 ,.「p-i-n 接合型有機固体太陽電池」,.平本昌宏.(2005年 ).
科学技術振興機構産学共同シーズイノベーション化事業顕在化ステージ ,.「高効率有機固体太陽電池の実用化試験」,. 平本昌宏. (2006年 –2007年 ).
科学技術戦略推進機構アカデミアショーケース研究助成 ,.「p-i-n 有機太陽電池の開発」,.平本昌宏.(2006年 ).
（財）関西エネルギー研究基金 (K R F ) 助成 ,.「有機半導体の pn 制御とp-i-n 有機固体太陽電池の開発」,.平本昌宏.(2008年 ). 科研費基盤研究 ( B ) (2) ,.「有機半導体のイレブンナイン超高純度化による 10% 効率有機薄膜太陽電池の開発」,. 平本昌宏. (2009年 –2010 年 ).
科研費挑戦的萌芽研究 ,.「直立超格子ナノ構造を組み込んだ高効率有機太陽電池」,.平本昌宏.(2009年 ).
科学技術振興機構 C R E S T 研究「太陽光を利用.した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出研究領域」,.「有機太陽電池 のためのバンドギャップサイエンス」,.平本昌宏.(2009年 –.).
B -11).産学連携
共同研究（三菱化学）「蒸着法有機薄膜太陽電池」,. ,.平本昌宏.(2010 年 ).
C ). 研究活動の課題と展望
２００９年１０月にスタートした C R E S T プロジェクト「有機太陽電池のためのバンドギャップサイエンス」の遂行のために，今年 度，C R E ST 研究員４名（久保，新村，横山，大坪）を雇用し，現在，嘉治助教，石山（博士２年次），中尾研究員，杉原（秘書） と私の５名とあわせ，９名のグループとなった。プロジェクトを強力に推進するため，グローブボックス内蔵蒸着装置１台，４
蒸着源蒸着装置３台を導入し，クリーンルーム内の蒸着設備を大幅に増強した。擬似太陽光源２台，A C ホール効果測定シ ステム（１式）を導入し，太陽電池特性評価，有機半導体評価装置を増強した。今年度，研究室の activity はほぼ軌道にのり， 成果を定常的にアウトプットできる状態にすることができた。今後，よりacti v i ty を高めるためには，インパクトのある成果を 生み出して，次のプロジェクトにつなげること，及び，研究室の H P の充実，積極的な広報などを通じて，学生を確保して行 くことが大事と考えている。
なお，嘉治助教が，低分子薄膜系太陽電池の世界的研究者であるC hi ng. T ang 教授（ロチェスター大，米国）に，３ヶ月間滞 在し，その時の成果をもとに，共同研究を進めている。
有機薄膜太陽電池は，欧米を中心に世界的に競争が加速している。実用化の目安とされる効率 10% も数年内に突破される ことが確実である。私は，２１世紀の基幹産業となる，エネルギー・環境分野において，有機薄膜太陽電池の実用化をその １つの解答として提示しようと考えている。有機薄膜太陽電池においては，有機半導体物性物理の確立という基礎研究にも とづいて，ブレイクスルーを起こし，その結果として，高効率化を達成していくことが求められる。基礎と応用の連携によって， 基礎研究−実用化の間に横たわるデスバレーを突破しなければならない。
具体的研究テーマとして，以下の項目を強力に推進していく。①有機半導体をイレブンナインまで超高純度化し，ppm- ppb レベルの純度を精確に評価する技術の確立，②有機半導体のドーピングによるpn 制御技術の確立，③有機太陽電池の内 蔵電界形成技術の確立，④厚膜セルにおけるセル内部抵抗の低減，⑤金属／有機オーミック接合形成技術の確立，⑥有 機半導体物性評価法の確立，⑦現在パーコレーションに頼っている共蒸着 i 層ナノ構造の設計・製作技術の確立，⑧近赤 外を利用できる有機半導体，1. V程度の開放端電圧を示す有機半導体の開発，など。数年内に，低分子系有機太陽電池の 効率 10% を目指す。
