研究トピックス

“塗る”有機薄膜太陽電池の高効率化技術の開発に成功!

有機薄膜太陽電池(OPV)※1は半導体ポリマーをプラスチック基板に塗って薄膜化することで作製できるため、コストや環境負荷を抑えることができ、大面積化が容易です。また、軽量で柔軟、透明にすることが可能であり、室内光下で変換効率が高いという特長を持つことから、IoTセンサー、モバイル・ウェアラブル電源や窓、ビニールハウス向け電源など、現在普及している無機太陽電池では実現が難しい分野への応用を切り開く次世代太陽電池として注目されています。しかし、OPVの実用化にはエネルギー変換効率の向上が最重要課題であり、そのためには新しい半導体ポリマーの開発が不可欠でした。

このような背景のもと、大阪大学の家裕隆教授、広島大学の尾坂格教授、斎藤慎彦助教、京都大学の大北英生教授、千葉大学の吉田弘幸教授、高輝度光科学研究センターの小金澤智之研究員らの共同研究チームは、フッ素原子を有する独自の半導体ポリマー※2を開発しました。この半導体ポリマーを塗布して作製した有機薄膜太陽電池(OPV)は出力電圧が高まり、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)が向上することを発見しました。

図 (a)PNTz4Tの化学構造とフッ素導入位置。(b)量子化学計算により解析したPNTz4Tの分子軌道の分布(上がLUMO、下がHOMO)。 LUMOは比較的Bの位置に存在し、HOMOはAの位置に存在する。

具体的には、今回共同研究チームは、広島大学のグループが以前に開発した、当時世界最高レベルの変換効率を示した「PNTz4T」という半導体ポリマー(図a)へフッ素を導入することを検討しました。すでにPNTz4TのAの位置(図a)にフッ素を導入することはできていたものの、量子化学計算からより有効であると予想されるBの位置へのフッ素導入はできていませんでした(図b)。今回、大阪大学のグループが別の化合物を用いて開発した、フッ素を導入する最新の技術を組み合わせた結果、Aの位置に加えて、Bの位置(図a)にもフッ素を導入し、これにより変換効率を向上させることに成功しました。
また、本研究で得た新しい知見を基に半導体ポリマーを改良することで、さらなるエネルギー変換効率の向上が見込めます。

本研究成果は、2020年1月14日(日本時間)にドイツの科学誌「Advanced Energy Materials」オンライン版に掲載されました。

・論文タイトル:”Impact of Non-Covalent Sulfur?Fluorine Interaction Position on Properties, Structures, and Photovoltaic Performance in Naphthobisthiadiazole-Based Semiconducting Polymers”

・著者:Masahiko Saito, Tomohiro Fukuhara, Satoshi Kamimura, Hiroyuki Ichikawa, Hiroyuki Yoshida, Tomoyuki Koganezawa, Yutaka Ie, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita,* Itaru Osaka

本研究成果は、科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業先端的低炭素化技術開発(ALCA)(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(広島大学教授)、研究開発期間:平成26年10月~令和2年3月)、文部科学省の研究大学強化促進事業の取り組みとして広島大学が行っているインキュベーション研究拠点事業「次世代太陽電池研究拠点」および石原産業株式会社との共同研究の一環として得られました。

※1 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。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。

※2 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。有機溶剤に溶けるため、塗ることで薄膜に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。

本研究の詳細はこちら
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200114_1

家研究室
https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/omm/

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