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高性能のアモルファス性太陽電池材料の開発に成功

平成30年1月24日

高性能のアモルファス性太陽電池材料の開発に成功
~有機薄膜太陽電池作製の簡便化に期待~

【研究成果のポイント】

・高性能のアモルファス※1性の有機薄膜太陽電池※2材料の開発に成功。
・これまで有機薄膜太陽電池の高性能化に向けては、結晶性材料が研究の中心だったが、アモルファス材料でも高性能化が可能になった。
・塗布して製造できる有機薄膜太陽電池のさらなる作製簡便化に期待。

【概要】

 大阪大学産業科学研究所の家裕隆准教授らの研究グループは、ドイツマックスプランク高分子研究所のBlom教授らと共にアモルファス特性を持つ有機薄膜太陽電池材料の高性能化に成功しました。(図1)

 これまで結晶性の太陽電池材料が高性能化に有利と考えられていましたが、アモルファス材料でも高性能化に道筋がつけられたことから、簡便に成膜※3ができるなどの特徴を活かした太陽電池素子の構築が期待されます。

 本研究成果は、ドイツ科学誌「Advanced Energy Materials」に、1月23日(火)午前8時(日本時間)に公開されました。

図1

図1)本研究で開発したアモルファスポリマー、使用した素子構造、太陽電池特性、および、薄膜特性

【研究の背景】

 これまで、太陽電池は、結晶性ポリマーの太陽電池材料を用いることで10%を超える光電変換効率が得られることが知られていました。

 これは太陽電池の薄膜活性層※4での効率的な正孔※5と電子の移動に有利であるためです。

 これに対して家准教授らの研究グループでは、ドイツマックスプランク高分子研究所のBlom教授とともにアモルファスポリマーにおいても高移動度化により太陽電池の高性能化が可能になるのではないかと考え材料開発を展開しました。その結果、光電変換効率が9%を超える太陽電池素子の作製に成功しました。

【本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)】

 今回開発したアモルファスポリマー材料を用いると結晶性ポリマー材料よりも簡単に、再現性※6の高い薄膜を作製することができます。本研究成果により、有機薄膜太陽電池作製法が簡便化されることが期待されます。また大面積化の太陽電池の作製もこれまでより容易になることが期待されます。

【特記事項】

本研究成果は、1月23日(火)午前8時(日本時間)にドイツ科学誌「Advanced Energy Materials」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:“Enhanced Photovoltaic Performance of Amorphous Donor-Acceptor Copolymers Based on Fluorine-Substituted Benzodioxocyclohexene-Annelated Thiophene”

著者名:Yutaka Ie,* Koki Morikawa, Wojciech Zajazkowski, Wojciech Pisula, Naresh B. Kotadiya, Gert-Jan A. H. Wetzelaer,* Paul W. M. Blom,* and Yoshio Aso*

【用語解説】

※1 アモルファス
 分子の配列が規則的でない(無秩序)な状態

※2 有機薄膜太陽電池
 ドナーとアクセプターの有機半導体材料を組み合わせた薄膜を活性層とする太陽電池

※3 成膜
 膜を作製すること

※4 薄膜活性層
 複数の膜を積み重ねることで太陽電池が構成される。このうち、太陽光を吸収してキャリア(正孔と電子)を生成する膜のこと

※5 正孔
 半導体において価電子体の電子が不足した状態のこと。ホールとも呼ぶ

※6 再現性
 ここでは、薄膜活性層の均質性を高めることで、太陽電池毎の性能のばらつきを抑えることを意味する

【研究者のコメント】

 これまでアモルファスポリマーで8%を超える光電変換効率を得ることに苦労していました。しかし、今回のBlom教授との共同研究でデバイス駆動の詳細を検討し、そこから導かれた分子設計を用いることで、9%を超える性能まで向上させることに成功しました。

【関連リンク】

ソフトナノマテリアル研究分野
研究室サイト

大阪大学 産業科学研究所

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高性能のアモルファス性太陽電池材料の開発に成功

平成30年1月24日

高性能のアモルファス性太陽電池材料の開発に成功
~有機薄膜太陽電池作製の簡便化に期待~

【研究成果のポイント】

・高性能のアモルファス※1性の有機薄膜太陽電池※2材料の開発に成功。
・これまで有機薄膜太陽電池の高性能化に向けては、結晶性材料が研究の中心だったが、アモルファス材料でも高性能化が可能になった。
・塗布して製造できる有機薄膜太陽電池のさらなる作製簡便化に期待。

【概要】

 大阪大学産業科学研究所の家裕隆准教授らの研究グループは、ドイツマックスプランク高分子研究所のBlom教授らと共にアモルファス特性を持つ有機薄膜太陽電池材料の高性能化に成功しました。(図1)

 これまで結晶性の太陽電池材料が高性能化に有利と考えられていましたが、アモルファス材料でも高性能化に道筋がつけられたことから、簡便に成膜※3ができるなどの特徴を活かした太陽電池素子の構築が期待されます。

 本研究成果は、ドイツ科学誌「Advanced Energy Materials」に、1月23日(火)午前8時(日本時間)に公開されました。

図1

図1)本研究で開発したアモルファスポリマー、使用した素子構造、太陽電池特性、および、薄膜特性

【研究の背景】

 これまで、太陽電池は、結晶性ポリマーの太陽電池材料を用いることで10%を超える光電変換効率が得られることが知られていました。

 これは太陽電池の薄膜活性層※4での効率的な正孔※5と電子の移動に有利であるためです。

 これに対して家准教授らの研究グループでは、ドイツマックスプランク高分子研究所のBlom教授とともにアモルファスポリマーにおいても高移動度化により太陽電池の高性能化が可能になるのではないかと考え材料開発を展開しました。その結果、光電変換効率が9%を超える太陽電池素子の作製に成功しました。

【本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)】

 今回開発したアモルファスポリマー材料を用いると結晶性ポリマー材料よりも簡単に、再現性※6の高い薄膜を作製することができます。本研究成果により、有機薄膜太陽電池作製法が簡便化されることが期待されます。また大面積化の太陽電池の作製もこれまでより容易になることが期待されます。

【特記事項】

本研究成果は、1月23日(火)午前8時(日本時間)にドイツ科学誌「Advanced Energy Materials」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:“Enhanced Photovoltaic Performance of Amorphous Donor-Acceptor Copolymers Based on Fluorine-Substituted Benzodioxocyclohexene-Annelated Thiophene”

著者名:Yutaka Ie,* Koki Morikawa, Wojciech Zajazkowski, Wojciech Pisula, Naresh B. Kotadiya, Gert-Jan A. H. Wetzelaer,* Paul W. M. Blom,* and Yoshio Aso*

【用語解説】

※1 アモルファス
 分子の配列が規則的でない(無秩序)な状態

※2 有機薄膜太陽電池
 ドナーとアクセプターの有機半導体材料を組み合わせた薄膜を活性層とする太陽電池

※3 成膜
 膜を作製すること

※4 薄膜活性層
 複数の膜を積み重ねることで太陽電池が構成される。このうち、太陽光を吸収してキャリア(正孔と電子)を生成する膜のこと

※5 正孔
 半導体において価電子体の電子が不足した状態のこと。ホールとも呼ぶ

※6 再現性
 ここでは、薄膜活性層の均質性を高めることで、太陽電池毎の性能のばらつきを抑えることを意味する

【研究者のコメント】

 これまでアモルファスポリマーで8%を超える光電変換効率を得ることに苦労していました。しかし、今回のBlom教授との共同研究でデバイス駆動の詳細を検討し、そこから導かれた分子設計を用いることで、9%を超える性能まで向上させることに成功しました。

【関連リンク】

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