広報活動

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2015年5月26日

理化学研究所
北陸先端科学技術大学院大学
高輝度光科学研究センター
科学技術振興機構

塗って作れる太陽電池で変換効率10%を達成

―分子配向に合わせて有機薄膜太陽電池を高効率化―

模式図

PNTz4Tを発電層として用いたOPV素子の模式図

順構造、逆構造どちらの素子においても、上部電極付近にフェイスオン配向のポリマー分子、下部電極付近にエッジオン配向のポリマー分子の割合が多い。逆構造素子では、ホールが上部電極(陽極)に向かって流れるため、よりホールを流しやすくなり、効率が向上する。

環境負荷が少ないエネルギーが話題になっています。太陽電池による発電もその1つで、なかでも有機薄膜太陽電池(OPV)は次世代太陽電池の有力な候補に浮上しています。現在、主に使われている太陽電池はガラス基板にシリコン半導体の発電層を貼ったもので、硬くて重い、設置場所が限られるなどの欠点がありました。これに対して、OPVはプラスチックや薄い金属に半導体ポリマーを塗布してつくるため、しなやかで軽く、3D曲面にすることも可能なほか、製作コストが安い、サイズを選ばないという特徴があります。ただ、エネルギー変換効率(太陽光エネルギーを電力に変換する効率)が、シリコン太陽電池の半分程度と低いため、これを向上させることが実用化に向けての最大の課題であり、変換効率10%が当面の目標値になっていました。

理研の研究者を中心とした共同研究チームはOPVで変換効率10%を達成すべく、半導体ポリマーを含む発電層や素子構造の改善に取り組みました。まず、正の電荷(正孔=ホール)を輸送する半導体ポリマーと、負の電荷(電子)を輸送するフラーレン誘導体を混合してつくる発電層を厚くしました。従来の約150nmから300nmと2倍に厚くし、電流密度を増大させたところ、変換効率をこれまでの約6%から8.5%に引き上げることに成功しました。続いて、従来素子の陽極と陰極の配置を入れ替えた「逆構造素子」を適用し、変換効率10%を達成しました。

太陽電池は発電層を厚くすると光吸収量が増え電荷の発生量も増加しますが、半導体ポリマーはシリコンなどの有機半導体に比べてホール移動度が低いため、ホールが電極に達する前に電子と再結合し、電流として取り出すのが困難になり、変換効率は低下してしまいます。しかし、共同研究チームが用いた半導体ポリマーは、結晶性が高くホール移動度も高いため、発電層を厚くしてもホールが電極まで到達できるため、電流量が増大して変換効率が向上したものと考えられました。また、大型放射高施設「SPring-8」で、改善した発電層のX線構造解析を行ったところ、素子の上部電極と下部電極付近で半導体ポリマーの分子配向が異なり、素子の上下方向で電荷の流れやすさが異なることが分かりました。さらに、この構造の素子では、光吸収により発生した電荷が流れやすいように陽極と陰極が配置されており、これが変換効率向上のカギになっていることが判明しました。

共同研究チームは、実用化の目安とされる変換効率15%を目指して材料や素子構造の研究・開発に取り組みます。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 超分子機能化学部門 創発分子機能研究グループ
上級研究員 尾坂 格 (おさか いたる)
グループディレクター 瀧宮 和男 (たきみや かずお)