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

2020-11-26

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。

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＜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