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2015年9月24日

理化学研究所
科学技術振興機構

塗って作れる太陽電池の実用化に大きく前進

－新材料開発でエネルギー変換効率と耐久性を同時に向上－

要旨

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター創発分子機能研究グループの尾坂格上級研究員、斎藤慎彦特別研究員と瀧宮和男グループディレクターらの研究チームは、半導体ポリマー[1]を塗布して作る有機薄膜太陽電池（OPV）[2]の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）と耐久性を同時に向上させることに成功しました。

OPVは半導体ポリマーを基板に塗布することで作製できるため大面積化が可能です。このため、低コストで環境負荷が少ないプロセスで作製でき、現在普及しているシリコン太陽電池にはない軽量で柔軟という特長を持つ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、エネルギー変換効率とともに耐久性を向上させることが大きな課題でした。

研究チームは、エネルギー変換効率の向上を目指して研究を進め、OPVの変換効率だけでなく、耐久性（耐熱性）も向上させる新しい半導体ポリマー「PTzNTz」の開発に成功しました。2014年に研究チームが開発した半導体ポリマーであるPTzBT[3] 注1）素子とPTzNTz素子（PTzBTあるいはPTzNTzを塗布して作製したOPV）を比較したところ、エネルギー変換効率が7％から9％まで向上しました。また、これらの素子の耐久性を評価するため85℃に加熱して500時間保存したところ、PTzBT素子では、エネルギー変換効率は初期値の半分以下まで低下したのに対し、PTzNTz素子ではエネルギー変換効率がほとんど変化しませんでした。これは、実用レベルに近い耐久性であると考えられます。エネルギー変換効率9％はOPVとしては非常に高いエネルギー変換効率です。加えて、これほど高い耐久性を示す半導体ポリマーは、他に類を見ません。

本研究により、OPVは耐久性が低いという従来の認識を覆すことができました。この知見を基に、耐久性が向上した原因を調査することで、さらに高い変換効率および高い耐久性を示す半導体ポリマーの開発研究、ひいては実用化に向けた研究が加速すると期待できます。

本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発（ALCA）の技術領域「太陽電池および太陽エネルギー利用システム」（運営総括：小長井誠）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）の一環として行われました。本成果は、英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』（9月23日付け）に掲載されました。

背景

半導体ポリマーをp型半導体材料[4]として用いる有機薄膜太陽電池（OPV）は、軽量で柔軟という特長を持ちます。さらに、半導体ポリマーを基板に塗布することで作製できることから、低コスト、低環境負荷なプロセスで大面積化が可能なため、次世代の太陽電池として注目されています。OPVの実用化には、エネルギー変換効率とともに耐久性の向上が重要な課題です。OPVが劣化する要因として光、熱、酸素、水分などが主なものとして挙げられます。光や酸素、水分による劣化は、紫外線をカットすることや、素子を封止することで大部分抑制することができます。一方で、太陽光があたることによる素子の温度上昇は防ぐことができないため、熱による劣化を抑制するためには、材料（半導体ポリマーやホール輸送性材料、電子輸送性材料[5]）を抜本的に改良する必要がありました。

研究手法と成果

研究チームはOPVのエネルギー変換効率を向上させるため、2014年に開発した半導体ポリマー「PTzBT」に改良を加え、太陽光をより多く吸収する「PTzNTz」という半導体ポリマーを開発しました（図1）。PTzNTzは、研究チームが2012年に開発した10%の変換効率を示すポリマー「PNTz4T」[6] 注2）の分子構造の一部をPTzBTに導入した半導体ポリマーです。OPVのエネルギー変換効率を評価したところ、PTzBT素子では7％でしたが、PTzNTz素子では9％まで向上しました。

また、耐久性を評価するため、これらの素子を85℃に加熱して500時間保存しました。このとき、光や酸素、水分の影響を排除するため、OPVはグローブボックスの中に入れて、遮光した状態で加熱しました。これはOPVの耐久性評価法[7]の1つです注3）。その結果、PTzBT素子では、試験開始数時間で、エネルギー変換効率が初期値の半分程度まで大きく低下し、500時間経過後には初期値の約40％まで低下しました（図2）。一方、PTzNTz素子では、500時間経過後のエネルギー変換効率は初期値の約90％と、耐久性（耐熱性）が大きく向上しました。さらに、ホール輸送性材料である酸化モリブデン（MoOx）を酸化タングステン（WOx）に変更したPTzNTz素子では、500時間経過後でもエネルギー変換効率はほとんど低下しませんでした。図2のデータから変換効率の時間変化を推測すると、1,000時間経過後でも変換効率は初期値の90％以上を保持することが予想されます。これは、現在普及している太陽電池に要求される耐熱性を満たしています。すなわち、今回開発したOPVは、実用レベルに近い耐久性を有する可能性があります。9％というOPVとしては非常に高い変換効率を示し、かつこれほど高い耐久性を示す素子の報告は、他に類を見ません。

今後の期待

今回、新しい半導体ポリマーを開発することで、OPVのエネルギー変換効率だけでなく、耐久性を向上させることができました。また、耐熱性試験をさらに継続した結果、1,000時間経過後でもエネルギー変換効率は初期値の96%を保持することが分かりました。

耐久性を評価する加速試験には、耐光性試験など他にもいくつかあり、それらもクリアしなければなりませんが、OPVにとって最もハードルが高い耐熱性試験をクリアできたことは非常に大きな進歩といえます。現在のところ、新しい半導体ポリマーおよびホール輸送性材料を改良したことで耐久性が向上した理由は分かっていません。今後、詳しく調べ、次の材料開発に繋げることが重要な課題です。本研究の成果によって、OPVの実用化に向けた研究開発がますます活発になると期待できます。

原論文情報

  • Masahiko Saito, Itaru Osaka, Yasuhito Suzuki, Kazuo Takimiya, Takashi Okabe, Satoru Ikeda, Tsuyoshi Asano, "Highly Efficient and Stable Solar Cells Based on Thiazolothiazole and Naphthobisthiadiazole Copolymers", Scientific Reports, DOI: 10.1038/srep14202

発表者

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
特別研究員 斎藤 慎彦
グループディレクター 瀧宮 和男

尾坂 格 上級研究員の写真 尾坂 格
斎藤 慎彦 特別研究員の写真 斎藤 慎彦
瀧宮 和男 グループディレクターの写真 瀧宮 和男

お問い合わせ先

JST事業に関すること
科学技術振興機構 環境エネルギー研究開発推進部 低炭素研究担当
Tel：03-3512-3543 / Fax：03-3512-3533
Email：alca[at]jst.go.jp ※[at]は@に置き換えてください。

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715

科学技術振興機構 広報課
Tel: 03-5214-8404 / Fax: 03-5214-8432
Email: jstkoho[at]jst.go.jp
※[at]は@に置き換えてください。

補足説明

  • 1.半導体ポリマー
    半導体の性質を持つポリマー（高分子の有機化合物）材料。可視光を吸収し、有機溶剤に溶けるため、塗ることができる半導体として、有機薄膜太陽電池をはじめとした有機デバイスに応用されている。
  • 2.有機薄膜太陽電池（OPV）
    有機半導体を発電層として用いた薄膜太陽電池の総称。特に有機半導体の溶液を塗布して作製する有機薄膜太陽電池を塗布型OPVと呼ぶ。有機半導体としては、通常、p型半導体（正の電荷（＝正孔、ホール）を輸送する半導体）である半導体ポリマーとn型半導体（負の電荷（＝電子）を輸送する半導体）であるフラーレン誘導体が用いられる。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、安価かつ軽量で柔らかいことから次世代の太陽電池として注目を集めている。OPVは、Organic PhotoVoltaicsの略。
  • 3.PTzBT
    研究チームが2014年に開発した半導体ポリマーの名称。PTzBTを塗布して作製したOPVは、7％程度のエネルギー変換効率を示す。
  • 4.p型半導体材料
    正の電荷（正孔＝ホール）を輸送する半導体。
  • 5.ホール輸送性材料、電子輸送性材料
    光活性層と正極、光活性層と負極との間に積層するホール輸送層、電子輸送層として用いる材料。これらを積層することにより、光活性層で発生したホールおよび電子が、正極および負極にそれぞれ流れやすくなる。
  • 6.PNTz4T
    PNTz4T研究チームが2012年に開発した半導体ポリマーの名称。PNTz4Tを塗布して作製したOPVは、10％程度とOPVとしては世界最高レベルのエネルギー変換効率を示す(注4)。
  • 7.OPVの耐久性評価法

    OPVの安定性に関する国際サミット（International Summit on OPV Stability: ISOS）により合意されたOPVの耐久性を評価するための加速試験。ただし、現在普及されている太陽電池のように寿命を保証するための基準は設けられていない。

PTzBT（左）とPTzNTz（右）の溶液の写真の画像

図1 PTzBT（左）とPTzNTz（右）の溶液の写真

PTzBTが赤紫色であるのに対し、PTzNTzは黒色に近い深緑色であることから、PTzNTzの方が光を吸収する波長領域が広いことが分かる。

OPVのエネルギー変換効率の時間変化(a)とOPVの構造(b)の図

図2 OPVのエネルギー変換効率の時間変化(a)とOPVの構造(b)

光活性層に用いる半導体ポリマーをPTzBTからPTzNTzに変更することで耐久性が向上した。また、ホール輸送層を酸化モリブデン（MoOx）から酸化タングステン（WOx）に変更することで、さらに耐久性が向上した。

  • 注1） I. Osaka, et al. Adv. Mater. 2014, 26, 331–338.
  • 注2） I. Osaka, et al. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3498–3507, V. Vohra, et al. Nat. Photon. 2015, 9, 403–408.
  • 注3） M. O. Reese, et al. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2011, 95, 1253–1267.

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