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) 超高純度化有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池 b) 有機薄膜太陽電池の長期動作試験
c) 近赤外域に感度を有する有機薄膜太陽電池
A -3) 研究活動の概略と主な成果
a) 有機半導体もシリコンと同じ半導体であるので，その真の性質，機能を見いだして実用デバイスに利用するには，精 製によって，シリコンで言われるイレブンナイン（11N）並みに，超高純度化する技術が欠かせない。我々のグルー プでは，有機半導体を 1 気圧の窒素気流中で昇華精製することで，大きな有機単結晶の形で取り出し，精製効率を 格段に向上させることに成功した。例えば，C60の場合，数ミリ角の単結晶が得られ，純度はセブンナイン (99.99999%， 7N) 以上であることを確認した。7N-C60と 5N-H2Pc（無金属フタロシアニン）の共蒸着 i 層を有する，p-i-n 接合セル [ A g/NT C D A ( 透明 n 層：600 nm) /C60:H2Pc( 共蒸着 i 層：1 ミクロン ) /H2Pc( p 層：30 nm) ] において，曲線因子（F F ） の値は，共蒸着 i 層膜 厚 1 ミクロンという驚くべき厚さでも低下せず，セルは黒茶 色で，可視 域の太陽光をほぼ 100% 吸収利用できたため，シリコン太陽電池とほぼ同等の，20 mA /cm2近い短絡光電流（Jsc），世界最高の変換効 率 5.3% を観測した。なお，低純度 C60を用いた p- i - n セルでは，共蒸着 i 層を 130 nm を越えて厚くすると，セルの 内部抵抗が増大して，深刻な F F ，Jscの低下が起きるため，可視光すべてを吸収利用できず，Jscは 10 mA /cm2どま
りで高効率は得られない。以上の結果は，有機半導体の電子材料レベルの高純度化が，セル性能の本質的な向上に いかに重要であるかを示している。
b) 有機薄膜太陽電池の実用化のためには，長期動作を実証する必要がある。今回は，p- i - n 接合セルを，透明電子輸送 層として働く，A l ドープ Z nO（A Z O）で被覆し，長期動作試験を行った。セル構造は，[ A g(100 nm) /A Z O(50 nm) / In(20 nm)/C60(50 nm)/H2Pc:C60共蒸着 i 層 (100 nm)/H2Pc(15 nm)/IT O] である。A Z O は，空気導入下（10–4 T orr），基 板温度 +50 °C において，電子ビーム蒸着によって有機薄膜上に堆積した。伝導度は 3.7 × 103 Scm–1で，IT O に匹敵
する値が得られた。A Z O は，ショート防止層として非常に有効で，面積 1 cm2のセルを歩留まり良く作製できた。高 真空（< 10–7 T orr），短絡状態光照射下での，1000 時間（42 日）動作テストを行ったところ，42 日（1000 時間）後も， 効率低下は 5% 内におさまっており，ほぼ安定動作を実証できた。
c) シリコン太陽電池は 1100 nm までの近赤外まで感度を持っているが，有機太陽電池は，これまで 700 nm までの可視 域にしか感度を持っていなかった。今回，我々のグループでは，鉛フタロシアニンと C60の共蒸着による活性層によっ て，700 nm から 1000 nm の近赤外域に感度を持つ有機太陽電池を初めて作製することに成功した。外部量子収率は 900 nm で約 50% に達した。可視域に感度を持つセル（結果 ( a)）と，本セルを組み合わせることで，20 mA /cm2を 越える短絡光電流（Jsc）の実現も可能と考えている。
B -1) 学術論文
K. SAKAI and M. HIRAMOTO, “Efficient Organic p-i-n Solar Cells Having Very Thick Codeposited i-Layer Consisting
of Highly Purified Organic Semiconductors,” Mol. Cryst. Liq. Cryst. 491, 284–289 (2008).
H. SHIOKAWA and M. HIRAMOTO, “Nanostructure Control by Interlaminated Fullerene/Phthalocyanine Ultrathin Films in p-i-n Organic Solar Cells,” Mol. Cryst. Liq. Cryst. 491, 277–283 (2008).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
M. HIRAMOTO, “Efficient Organic p-i-n Solar Cells Having Very Thick Codeposited i-Layer Composed of Highly Purified Organic Semiconductors,” Proc. SPIE Vol. 7052, Organic photovoltaics IX, 70520H-1–6 (2008).
B -3) 総説，著書
平本昌宏 , 「有機太陽電池」, 応用物理 （基礎講座）, 77(5), 539–544 (2008).
平本昌宏 , 「超高純度有機半導体を用いた高効率有機薄膜太陽電池」, 機能材料 （特集企画「有機薄膜太陽池の最新動向」）, シーエムシー出版 , 28(6), 25-32 (2008).
平本昌宏 , 「実用化に向けた有機薄膜太陽電池技術動向」, ディスプレイ （特集「燃料電池・太陽電池」）, 14(10), 34–38 (2008). 平本昌宏 , 「低分子系有機固体太陽電池の開発」, 化学工業 59(10), 776–781 (2008).
平本昌宏 , 「有機薄膜太陽電池の現状と将来」, 未来材料 「特集：エネルギー化学材料・デバイスの現状と将来」, 8(12), 25–30 (2008).
平本昌宏 , 「有機半導体の超高純度化による高効率有機薄膜太陽電池」, Molecular Electronics & Bioelectronics, 19(4), 221– 230 (2008).
平本昌宏 , 「有機太陽電池」「プリ, ンタブル有機エレクトロニクスの最新技術」, 第７章第６節 , シーエムシー出版（株）, pp. 220– 230 (2008).
平本昌宏 , 「分子袋小路の概念と有機増幅型光センサー」, 「有機薄膜形成とデバイス応用展開」, 第２章ドライプロセスによる 薄膜形成技術とデバイス応用 第７節 , シーエムシー出版（株）, pp. 70–79 (2008).
平本昌宏 , 「有機太陽電池の高効率化と耐久性評価」, 「新世代（プリンタブル）太陽電池—印刷プロセスと材料技術」, 第３ 章第５節色素増感太陽電池，有機太陽電池 , シーエムシー出版（株）, pp. 220–230 (2008).
B -4) 招待講演
M. HIRAMOTO, “Efficient organic p-i-n solar cells having very thick codeposited i-layer composed of highly purified organic
semiconductors,” SPIE Vol. 7052, Organic photovoltaics IX, San Diego (U.S.A.), August 2008.
M. HIRTAMOTO, “Efficient Organic p-i-n Solar Cells Having Very Thick Codeposited i-Layer Using Seven-Nine Purified
Fullerene,” 8th International Conference on Nano-Molecular Electronics, Kobe Portpia Hotel, Kobe (Japan), December 2008.
平本昌宏 , 「有機太陽電池の界面制御技術と実用化への課題」, J C I I 界面制御による化学と電子工学の融合研究会（第２ 回）—電子材料の極限構造制御と超機能発現—「次世代有機電子デバイス・材料開発」実用化への期待（（財）化学 技術戦略推進機構（J C II））, 東京 , 2008年 3月.
平本昌宏 , 「実用化に向けた有機薄膜太陽電池技術動向」, オルガテクノプレセミナー「フィルム型太陽電池技術動向—有 機薄膜太陽電池の現状と未来」, お茶の水「総評会館」, 東京 , 2008年 4月.
平本昌宏 , 「低分子系有機薄膜太陽電池の現状と動向」, 電子ジャーナル１９３回技術セミナー：有機薄膜太陽電池徹底解説 , お茶の水「総評会館」, 東京 , 2008年 6月.
平本昌宏 , 「わかりやすく解説：有機薄膜系太陽電池」, プレスジャーナル太陽電池入門セミナー , 学士会館 , 東京 , 2008年 6月. 平本昌宏 , 「E fficient organic p-i-n solar cells having very thick codeposited i-interlayer consisting of highly purified organic semiconductors」, 第５回「次世代の太陽光発電システム—薄膜太陽電池のイノベーションと地域連携—」, 宮崎市民プラ ザ , 2008年 6月.
平本昌宏 , 「有機薄膜太陽電池の現状技術と将来」, 自然順応型ネオマテリアル創成研究会新エネルギー技術創成研究会第 １回合同研究会—新エネルギー分野での材料資源枯渇対策（減量・代替技術）—, 大阪リバーサイドホテル , 2008年 7月. 平本昌宏 , 「超高純度有機半導体を用いた高効率有機薄膜太陽電池」, 第４回有機太陽電池シンポジウム—ハイブリッド ソーラーセルへの展開—, 京大会館 , 2008年 7月.
平本昌宏 , 「超高純度有機半導体を用いた低分子系有機薄膜太陽電池」, 日本学術振興会合同研究会情報科学用有機材料 第１４２委員会 , 東京理科大学森戸記念館 , 2008年 7月.
平本昌宏 , 「有機半導体高純度化技術の太陽電池への応用」, 第６９回応用物理学会シンポジウム「有機結晶はどこまで進化 するか？（有機結晶成長の最新動向と光機能の発現）」, 中部大学 , 2008年 9月.
平本昌宏 , 「低分子系薄膜有機太陽電池の開発」, 出光興産（株）先進技術研究所 , 2008年 9月.
平本昌宏 , 「有機薄膜太陽電池の高効率化，耐久性，将来展望」, 技術情報協会セミナー「有機薄膜太陽電池の高変換効率 化・高耐久化と最適構造制御」, ゆうぽうと, 五反田 , 東京 , 2008年 9月.
平本昌宏 , 「有機ヘテロ太陽電池」, 第３５回アモルファスセミナー「薄膜太陽電池の現状と新展開」, 京都ガーデンパレス, 2008年 10月.
平本昌宏 , 「低分子有機太陽電池の基礎と将来展望」, オルガテクノ２００８有機ビジネステクニカルセミナー B2 有機薄膜太 陽電池技術展望 , 東京ビッグサイト, 2008年 10月.
M．HIRAMOTO, “Development of organic p-i-n solar cells,” Prof. Ching Tang Lab.seminar, University of Rochester, Chemical Engineering, Rochester (U.S.A.), November 2008.
平本昌宏 , 「有機太陽電池の最前線」, 平成２０年度日本化学会東北支部講演会「次世代有機エレクトロニクスデバイス・材 料の最前線」, 東北大学青葉記念会館 , 2008年 11月.
平本昌宏 , 「有機太陽電池における有機半導体の基礎科学—特徴・作動メカニズムと高性能化へのアプローチ—」, 情 報機構セミナー , 大田区産業プラザ , 東京 , 2008年 11月.
平本昌宏 , 「有機薄膜太陽電池に関する最近の技術動向」（社）, 電子情報技術産業協会薄膜系太陽電池技術調査分科会セミ ナー , 千代田ファーストビル南館 , 東京 , 2008年 11月.
平本昌宏 , 「有機系太陽電池実用化開発の現状」, 第５回集積光デバイス技術研究会—集積光デバイス技術のコンシュー マ展開—, 大阪大学銀杏会館 , 2008年 11月.
平本昌宏 , 「有機薄膜太陽電池の実用化に向けて」, 第３回「太陽電池実用化技術研究会」, 名古屋桜華会館 , 2008年 12月. 平本昌宏 , 「高純度有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池」, 日本画像学会シンポジウム「電子写真用材料の新展開」, 東京 発明会館 , 東京 , 2008年 12月.
平本昌宏 , 「有機半導体の超高純度化技術と有機太陽電池への応用」, 故関一彦先生追悼シンポジウム「有機エレクトロニク ス関連薄膜・界面の電子構造と電子過程」, 名古屋大学野依記念学術交流館 , 2008年 12月.
平本昌宏 , 「有機材料の純度と精製方法，物性への影響」, 大阪大学有機エレクトロニクス研究会 W inter School「有機エレク トロニクスにおける物性値の意味と評価法」, 神戸しあわせの村 , 2008年 12月.
平本昌宏 , 「有機半導体高純度化技術の有機太陽電池への応用」, 放射光／表面電子顕微鏡とナノ精密材料科学シンポジウ ム（第４回放射光表面科学部会シンポジウム）, 北海道大学 , 2008年 12月.
B -5) 特許出願
韓国特許出願 10-2008-0022605, “ Organic photoelectric conversion film and photoelectric conversion device having the same,” 平本昌宏 , K im, 2008年 .
韓国特許出願 10-2008-0049678, “ Organic photoelectric conversion film, and photoelectric conversion device and image sensor having the same,” 平本昌宏 , K im, 2008年 .
韓国特許出願 10-2008-0108509, “ Photoelectric conversion film, photoelectric conversion device and color image sensor having the photoelectric conversion film,” 平本昌宏 , K im, 2008年 .
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).
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).
B -10) 競争的資金
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 ). 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 ).
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 ). 基盤研究 (B)(2), 「有機／金属界面のナノレベル構造制御と光電流増倍デバイス」, 平本昌宏 (1977年 –1998年 ). 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 ). 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 ).
B -11) 産学連携
共同研究（三洋電機）「高純度新規電子供与性材料によ, る高効率有機薄膜太陽電池の作製」, 平本昌宏 (2008年 ). 共同研究（新日本石油）「有機薄膜太陽電池の研究開発」, , 平本昌宏 (2008年 ).
C ) 研究活動の課題と展望
２００８年４月に分子研に着任したため，本年度は，有機半導体の超高純度化と有機太陽電池への応用のテーマに集中し， 有機薄膜太陽電池研究の立ち上げを最優先とした。有機太陽電池については，以下の予定を考えている。①有機半導体を 単結晶析出によってイレブンナインまで超高純度化する技術，および，その純度を精確に評価する技術を確立し，多種多様 な有機半導体に応用する。②近赤外域に吸収を持つ有機半導体に超高純度化技術を応用し，また，３元共蒸着層によって， 可視，近赤外域すべてをカバーすることで，短絡光電流（Jsc） = 20–30 mA /cm
2
を得る。③ 1 V程度の大きな開放端電圧（Voc） を示す，ドナー／アクセプター有機半導体の組み合わせの系に，超高純度化技術を適用して，Jscを飛躍的に向上させ，Voc が 1 V程度，かつ，Jscが 20 mA /cm
2
程度のセルを実現する。④金属／有機界面をオーミック接合化する技術を確立し，曲 線因子（F F）を 0.8程度まで増大させる。⑤可視光領域と近赤外領域にそれぞれ感度を持つ２つのセルを積層連結した，波 長分割タンデムセルを作製する。
以上の研究とは別に，現在パーコレーションに頼っている共蒸着 i 層ナノ構造作製を，完全に人工的に自由自在に行うために， ナノインプリントと真空蒸着を融合したナノ構造設計方法を確立し，理想ナノ構造である直立超格子ナノ構造を組み込んだ 有機太陽電池の実現を目指す。また，S T M を用いた弾道電子放出顕微鏡（B E E M）による，有機／金属界面ナノエネルギー 構造の解明を行う。
