新コンセプト有機太陽電池によって高効率化への道筋を拓く

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2019-02-19 分子科学研究所

水平交互多層接合によってバルクヘテロ接合を超える

概要

分子科学研究所の、平本昌宏教授、菊地 満氏(NEDO研究員)、伊澤誠一郎助教の研究グループは、従来の有機太陽電池の標準構造であった「バルクヘテロ接合」の代わりになる、「水平交互多層接合」による新コンセプト有機太陽電池の動作に、世界で初めて成功し、高効率化への道筋を拓きました。

有機太陽電池のバルクヘテロ接合(ブレンド接合)は、電子とホールを輸送するルート形成が技術的に非常に難しいという弱点があり、世界中で、相分離を利用した解決が模索されてきましたが、新しい有機半導体分子を合成してはそれをブレンドして性能を評価するという、トライアンドエラーに頼らざるを得ない状況が続いています。

今回、研究グループは、電子とホールを、基板に対して水平方向に取り出す「水平交互多層接合」という新しいコンセプトに基づいて有機太陽電池を設計・作製し、バルクヘテロ接合を超える方法を示しました。

具体的には、まず、有機分子のホールハイウェーと電子ハイウェーを作製して、ホール、電子をミリメーターのマクロな距離で、水平方向に取り出せることを証明しました。さらに、研究グループオリジナルの可動マスク機構を用いて、わずか5分子層のホールハイウェーと電子ハイウェーから成る「水平交互多層接合」を作製し、世界で初めて、太陽電池として動作させることに成功しました。

今回の、新コンセプト有機太陽電池は、水平方向に光電流を取り出すため、垂直方向の膜厚を限りなく厚くでき、種々の吸収波長領域を持つ、多様な有機半導体の組み合わせが自由自在に行えるようになり、太陽光スペクトルの大部分をフル活用して、飛躍的な効率向上が望めます。近い将来、有機太陽電池は、フレキシブル、カラフル、軽量、塗布可能、安価、等の利点を活かして、太陽電池の主役となっていくと考えています。

本研究は、科研費挑戦的研究(萌芽)およびNEDOのエネルギー・環境新技術先導プログラムの一環として行われ、米国化学会のエネルギー材料科学の専門誌『ACS Applied Energy Materials』の2月8日付(オンライン版)に掲載されました。

研究の背景

有機太陽電池のバルクヘテロ接合(ブレンド接合)(図1(a))は、1991年に研究代表者が発明し[平本ら, Appl. Phys. Lett., 58, 1062 (1991)]、有機太陽電池の世界標準になっています。これは、電子受容性(アクセプター性)と電子供与性(ドナー性)の有機半導体分子を混ぜ合わせたブレンド膜で、植物の光合成と同じく、アクセプター分子とドナー分子の間に起こる電子移動を利用して、光電流を発生できます。ただ、バルクヘテロ接合は、電子とホールを途切れずに輸送するルート形成が技術的に非常に難しいという弱点があり、世界中で、新しい有機半導体分子を合成してはそれをブレンドして性能を評価するという、トライアンドエラーに頼らざるを得ない状況が続いています。また、太陽光全てを吸収利用できる、1ミクロン程度のブレンド厚膜を作製することが困難でした。研究代表者は、バルクヘテロ接合の原理そのものが内包する、この欠点について、発明当初から問題意識を持ち続けてきました。

例えば、図1(b)のような、縦型超格子理想構造を作製できたとすると、電子とホールの取り出しの障害がなくなり、1ミクロン程度の膜厚も可能になると予想できます[平本ら, Appl. Phys. Lett., 88, 213105 (2006)]。しかし、この構造においては、電子、ホール輸送層の幅を、プラス電荷とマイナス電荷が結びついた励起子が拡散できる10ナノメーター(0.01 ミクロン)程度にすることが必要で、1ミクロンの厚膜を作るには、アスペクト比が100にも達し、現在の技術では作製できません。
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図1 (a) バルクヘテロ接合有機太陽電池。(b) 縦型超格子理想構造。

研究の成果

今回、研究グループは、電子とホールを、基板に水平な方向に取り出す「水平交互多層接合」(図2(a))を作製し、太陽電池として動作させることに、世界で初めて成功し、バルクヘテロ接合の弱点を克服する方法を示しました。この構造は、図1(b)の縦型超格子理想構造を90度回転させた構造にあたります。電子とホールを、水平方向に取り出すことが「水平交互多層接合」の本質です。この接合は、次の2つの大きな特長を持ちます。

(1) 水平方向に電子とホールを取り出すため、垂直方向の膜厚は輸送に無関係となり、限りなく厚くでき、全ての太陽光を吸収利用して、光電流を極限まで増大できます。
(2) 膜厚をオングストローム精度で制御でき、理想構造を自由に設計、作製できます。

「水平交互多層接合」(図2(a))においては、ホールと電子を、それぞれの電極まで、基板に水平な方向に取り出さなければなりません。このようなマクロな距離の電荷輸送の可能性を検討できるようになったのは、最近、100 cm2/Vs に近い超高速移動度が、有機半導体において報告されるようになったためです。シリコンの移動度が1000 cm2/Vs程度ですから、その約10分の1です。図2(a)(右)に、超高速ホール移動度を示す、有機半導体(C8-BTBT)の構造を模式的に示してあります。基板に水平に、強固なπスタッキングが形成され、水平方向に非常に高いホール移動度を示します。

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