理研、塗って作れる有機薄膜太陽電池の変換効率を10%に向上

2015年5月29日 16:26

　理化学研究所の尾坂格上級研究員・瀧宮和男グループディレクターらの共同研究チームは、半導体ポリマーを塗布して作る有機薄膜太陽電池（OPV）のエネルギー変換効率を、10%まで向上させることに成功した。

　半導体ポリマーをp型半導体材料として用いる有機薄膜太陽電池（OPV）は、軽量で柔軟なため、次世代の太陽電池として注目されている。しかし、エネルギー変換効率は、既に普及している変換効率20%以上のシリコン太陽電池の半分以下しかなかった。

　今回の研究では、半導体ポリマー「PNTz4T」とフラーレン誘導体を混合して作製した発電層の厚さを、従来の約150ナノメートル（nm）から約300nmと2倍に厚くすることで、電流密度が大幅に増大し、変換効率が約6%から8.5%程度まで向上することが分かった。

　さらに、従来のOPV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することで、変換効率を10%に向上させることに成功した。一般的に、半導体ポリマーはシリコンなどの無機半導体に比べてホール移動度が低いため、ホールが電極に到達する前に電子と再結合する。そのため電流として取り出すことが困難となり、変換効率は低下するが、PNTz4Tは従来の半導体ポリマーに比べて結晶性が高くホール移動度が高いため、発電層を厚くしてもホールが電子と再結合せずに電極まで到達できることで電流量が増大し、変換効率が向上したと考えられる。

　今後は、PNTz4Tに改良を加え、材料に適した素子構造を開発することで、実用化の目安とされるエネルギー変換効率15%の到達に大きく近づくと期待されている。

　なお、この内容は「Nature Photonics」に掲載された。論文タイトルは、「Efficient inverted polymer solar cells employing favourable molecular orientation」。

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