エネルギー変換効率が約1.2倍、長期保管安定性が15倍の薄型有機太陽電池を開発理化学研究所

理化学研究所は2020年3月10日、同研究所ならびに創発物性科学研究センターによる研究グループが、高いエネルギー変換効率と長期保管安定性の両立を可能とする薄型有機太陽電池を開発したと発表した。ウェアラブルエレクトロニクスやソフトロボット用のセンサーやアクチュエータなどに、安定的に電力を供給できる、軽量で柔軟な電源としての応用が期待される。

今回開発された薄型有機太陽電池は、基板から封止膜までの全てを合わせた膜厚が3μmとなっている。エネルギー変換効率は13％に達しており、大気中で3,000時間保管した後も95％以上のエネルギー変換効率を保持できる。以前開発されたものはエネルギー変換効率が10.5％で、エネルギー変換効率95％を保持できるのは約200時間に留まっていた。エネルギー変換効率が約1.2倍向上し、長期保管安定性が15倍改善したこととなる。

同研究グループは今回の開発にあたり、発電層改良のために高エネルギー交換効率と熱安定性を両立する新たなドナー・アクセプター材料ブレンド膜を設計し、発電層と正孔輸送層の界面における電荷輸送効率向上のためにポストアニール処理を行った。

ドナー材料には東レが開発した半導体ポリマー「PBDTTT-OFT」を用いており、アクセプター材料には非フラーレン誘導体の「IEICO-4F」を採用した。これにより、光捕集性や熱安定性に優れた発電層を作製することが可能となった。従来はフラーレン誘導体をアクセプター材料に用いていたが、PBDTTT-OFTが有する高効率や熱安定性といった特長を十分に引き出すことができていなかった。

さらに同研究グループは、素子作製後に150℃の熱処理を行うポストアニール処理によって長期保管安定性が大きく改善することを発見した。微小角入射広角X線散乱法やX線光電子分光法などによる物性評価を行ったところ、発電層と正孔輸送層の界面での電荷輸送が改善した結果であることが明らかになっている。他の発電層材料や正孔輸送層ではポストアニール処理後にエネルギー変換効率が低下したことから、今回の素子構成のみで高いエネルギー変換効率が保持されることが判明した。

高いエネルギー交換効率と長期保管安定性を両立するための設計指針

エネルギー変換効率が約1.2倍、長期保管安定性が15倍の薄型有機太陽電池を開発　理化学研究所