【エネルギー技術/有機化学】塗って作れる有機薄膜太陽電池発電層を厚くし､｢逆構造素子｣を適用変換効率10%を達成

もろ禿

塗って作れる太陽電池で変換効率10％を達成 | 理化学研究所
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塗って作れる太陽電池で変換効率10％を達成 | 60秒でわかるプレスリリース | 理化学研究所
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図1　PNTz4Tを発電層として用いたOPV素子の電流・電圧特性
順構造素子の発電層を厚くし、さらに逆構造素子を用いることで、電流密度が増大し、変換効率が向上した。エネルギー変換効率は、電流−電圧特性から短絡電流密度（電圧0 Vでの
電流密度）と開放電圧（電流密度0 mA/cm2での電圧）、曲線因子（最適動作点での出力（最大出力））を読み取り、これらを掛け合わせることで求められる。
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図2　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。

【エネルギー技術/有機化学】塗って作れる有機薄膜太陽電池 発電層を厚くし､｢逆構造素子｣を適用 変換効率10%を達成

【エネルギー技術/有機化学】塗って作れる有機薄膜太陽電池発電層を厚くし､｢逆構造素子｣を適用変換効率10%を達成