有機太陽電池の効率向上につながる電子励起時間の延長を実証(LiU researchers push the boundaries of organic solar cells)

2026-06-30 リンショーピング大学

スウェーデンのLinköping Universityの研究チームは、有機太陽電池の発電効率をさらに向上させる新たな設計指針を明らかにした。従来、有機太陽電池の変換効率は20%を超えるまで向上したものの、「フィルファクター(Fill Factor)」が性能向上の主要な制約と考えられていた。本研究では、光を吸収して励起された電子が高エネルギー状態をより長く維持できるようにすることで、電子と正孔の分離・輸送が効率化され、フィルファクターを従来の想定限界以上に高められることを実証した。この成果は、有機太陽電池の理論的な性能限界が見直される可能性を示している。有機太陽電池は、シリコン太陽電池と比べて軽量・柔軟・半透明で低コスト製造が可能であり、室内照明による発電やIoTセンサー、携帯電子機器、窓一体型発電などへの応用が期待されている。研究チームは、励起電子の寿命を制御する新たな理解が、実用性能をさらに高める重要な基盤となり、次世代有機太陽電池の開発を加速するとしている。本成果はNature Photonicsに掲載された。

有機太陽電池の効率向上につながる電子励起時間の延長を実証(LiU researchers push the boundaries of organic solar cells)
The findings in the study can take efficiency of organic solar cells to the next level, according to the researchers.

<関連情報>

有機太陽電池のフィルファクター限界を克服する Overcoming the fill-factor limit of organic solar cells

Huotian Zhang,Jun Yuan,Tong Wang,Yijie Nai,Nurlan Tokmoldin,Wei Liu,Shanchao Ouyang,Rokas Jasiūnas,Yiting Liu,Yuxuan Li,Mohammad Saeed Shadabroo,Manasi Pranav,Nakul Jain,Xiaolei Zhang,Veaceslav Coropceanu,Artem A. Bakulin,Sai-Wing Tsang,Vidmantas Gulbinas,Safa Shoaee,Yingping Zou,Dieter Neher,Thomas Kirchartz & Feng Gao
Nature Photonics  Published:19 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-026-01946-8

Abstract

Although organic solar cells have surpassed 20% power conversion efficiency, a persistent trade-off between open-circuit voltage and fill factor (FF) prevents them from closing the gap with inorganic technologies. Here we investigate this trade-off across a wide range of devices and identify an FF limit arising from field-dependent free-charge generation. This limit becomes more severe as voltage losses are minimized, thereby imposing an open-circuit voltage–FF trade-off. To quantitatively describe this limit, we develop an analytical model for field-dependent charge generation, revealing that the underlying cause is the field-sensitive charge-transfer process between excitons and charge-transfer states. This sensitivity originates from the field-induced charge-transfer state energy variations, mainly caused by the Stark effect. Guided by this physics-based model, we highlight that a long exciton lifetime is one of the practical and effective methods to overcome the FF limit.

0403電子応用
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