光干渉効果を利用し、低コストで有機薄膜太陽電池を 飛躍的に高効率化することに成功

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2020-11-25 広島大学,山形大学,京都大学,千葉大学,科学技術振興機構

ポイント
  • 長波長吸収材料を少量添加するだけで、塗布型有機薄膜太陽電池(OPV)の発電効率が1.5倍向上。
  • 結晶性の高い半導体ポリマーを用いて半導体層を厚膜化し、かつ強い光干渉効果を利用したことで、長波長吸収材料の光吸収が2倍以上に増幅。

広島大学の尾坂 格 教授、斎藤 慎彦 助教、山形大学の横山 大輔 准教授、京都大学の大北 英生 教授、千葉大学の吉田 弘幸 教授らの共同研究チームは、半導体ポリマーとフラーレン誘導体を用いた塗布型有機薄膜太陽電池(OPV)に、少量の長波長吸収材料を加えるだけで、大幅に発電効率が向上することを発見しました。

OPVは半導体ポリマーをプラスチック基板に塗って作製できるため、コストや環境負荷を抑えることができ、大面積化が容易です。また、軽量で柔軟、透明であり、室内光下で変換効率が高いという特長を持つことから、IoTセンサー、モバイル・ウェアラブル電源や窓、ビニールハウス向け電源など、現在普及している無機太陽電池では実現が難しい新たな応用を切り開く次世代太陽電池として注目されています。OPVの実用化には発電効率の向上が最重要課題ですが、そのためには、OPVができるだけ多くの太陽光を吸収できるようにすることが不可欠です。

今回、共同研究チームは、広島大学の研究グループが以前に開発した結晶性の高い半導体ポリマーとフラーレン誘導体の混合膜に、長波長吸収帯を持つ化合物を重量比で6パーセントだけ少量添加すると、OPVの発電効率が1.5倍も向上することを見いだしました。山形大学の研究グループが分光エリプソメトリー解析の結果を基にOPVの光学シミュレーションをしたところ、光干渉効果によって少量添加した化合物の光吸収強度が大きく増幅されたことが分かりました。さらに、京都大学の研究グループが過渡吸収分光法を用いて電荷生成メカニズムを解析した結果、少量添加した化合物は、半導体ポリマーとフラーレン誘導体の界面に偏在しており、これにより効果的に電荷が生成することが明らかになりました。

共同研究チームは、このような光増感作用と緻密に制御された材料のミクロな集合構造が、今回のOPVにおける発電効率向上の鍵であるとしています。今後、半導体層に用いる材料を改良することで、さらに飛躍的な発電効率の向上が期待できます。

本研究成果は、2020年11月25日(日本時間)に米国化学会の科学誌「Macromolecules」にオンライン掲載されます。

本研究成果は、JST 戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発(ALCA)研究開発課題名「高効率ポリマー系太陽電池の開発」(研究開発代表者:尾坂 格 広島大学 教授、研究開発期間:平成26年10月~令和2年3月)の支援、および文部科学省 研究大学強化促進事業の取り組みとして広島大学が行っているインキュベーション研究拠点事業「次世代太陽電池研究拠点」の支援を受けて行われました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Significantly Sensitized Ternary Blend Polymer Solar Cells with Very Small Content of Narrow-Bandgap Third Component That Utilizes Optical Interference”
DOI:10.1021/acs.macromol.0c01787
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

尾坂 格(オサカ イタル)
広島大学 大学院先進理工系科学研究科 教授

<JST事業に関すること>

大矢 克(オオヤ マサル)
科学技術振興機構 未来創造研究開発推進部 低炭素研究推進グループ

<報道担当>

広島大学 財務・総務室 広報部 広報グループ
科学技術振興機構 広報課

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