(a) 水平交互多層接合 (b) ホールハイウェー (c) 電子ハイウェー
分子科学研究所は2019年2月19日、従来の有機太陽電池の標準構造「バルクヘテロ接合」に代わる、「水平交互多層接合」による新コンセプト有機太陽電池の動作に、世界で初めて成功したと発表した。
新コンセプト有機太陽電池は、水平方向に光電流を取り出すため、垂直方向の膜厚を限りなく厚くできる。このため、種々の吸収波長領域を持つ多様な有機半導体を自由自在に組み合わせることが可能になり、太陽光スペクトルの大部分をフル活用して飛躍的な効率向上が望めるという。
現在、バルクヘテロ接合有機太陽電池が有機太陽電池の世界標準になっている。バルクヘテロ接合は電子受容性（アクセプター性）と電子供与性（ドナー性）の有機半導体分子を混ぜ合わせたブレンド膜で、アクセプター分子とドナー分子の間に起こる電子移動を利用して、光電流を発生させる。
しかし、バルクヘテロ接合は、電子とホールを途切れずに輸送するルート形成が技術的に非常に難しいという欠点がある。開発では、新しい有機半導体分子を合成してはそれをブレンドして性能を評価する、という試行錯誤に頼っているのが実状だ。さらに、太陽光全てを吸収利用できる１μm程度のブレンド厚膜を作製することが困難という問題もある。研究グループは、かねてからこの欠点について問題意識を持ち続けてきた。
例えば、縦型超格子理想構造を作製できたとすると、電子とホールの取り出しの障害がなくなり、１μm程度の膜厚も可能になると予想できる。しかしこの構造では、電子やホール輸送層の幅を、プラス電荷とマイナス電荷が結びついた励起子が拡散できる10nm程度にする必要がある。１μmの厚膜を作るには、アスペクト比が100に達するため、現在の技術では作製できない。
(a) バルクヘテロ接合有機太陽電池 (b) 縦型超格子理想構造
今回、研究グループは、電子とホールを基板に水平な方向に取り出す水平交互多層接合を作製し、太陽電池として動作させることに世界で初めて成功した。水平交互多層接合は縦型超格子理想構造を90度回転させた構造にあたり、電子とホールを水平方向に取り出す。
この接合は、（1）水平方向に電子とホールを取り出すため、垂直方向の膜厚は輸送と無関係で限りなく厚くできる。そのため、全ての太陽光を吸収利用して、光電流を極限まで増大可能、（2）膜厚をオングストローム精度で制御でき、理想構造を自由に設計、作製可能という、2つの特長をもつ。
水平交互多層接合では、ホールと電子をそれぞれの電極まで基板に水平な方向に取り出す必要がある。このようなマクロな距離の電荷輸送は、近年、100cm2/Vs に近い超高速移動度をもつ有機半導体が開発されたことで可能になった。図2（a）（右）に模式的に示されているのは超高速ホール移動度を示す有機半導体（C8-BTBT）の構造で、基板に水平に強固なπスタッキングが形成され、水平方向に非常に高いホール移動度を示す。
(a) 水平交互多層接合 (b) ホールハイウェー (c) 電子ハイウェー
水平交互多層接合を構成する最小単位は、ホールを水平方向に取り出すホールハイウェーと電子を水平方向に取り出す電子ハイウェーの2つだ。研究グループは、ホールハイウェーと電子ハイウェーをそれぞれ作製して、ホールや電子をミリメートル程度の距離で水平方向に取り出せるかを調べた。
ホールハイウェーには、有機半導体C8-BTBTを使用。1対の電極を0.05mmから0.6mmの間隔で表面に設置した。ホールは水平方向に輸送されて取り出されるため、移動距離は電極間距離に等しく、セルの特性は水平方向のホール輸送に支配される。電子収集電極の左端（赤実線）がホールのスタートラインになる。
電極間距離がホール飛程（ホールが水平方向に移動できる距離）よりも短い場合、ホールは電極に収集され、電極間距離がホール飛程よりも長い場合は、ホールは電極に収集されない。このため、電極間距離がホール飛程に等しくなるところで光電流が急減すると予想できる。実験では、光電流の急減は0.4mmで起こった。これまでは、1μm以下の距離しか動かないと考えられていた。
電子ハイウェーには、高速電子移動度を示すペリレン系有機半導体PTCDI-C8を使用。0.2mmで光電流の急激な減少が観測され、電子においても0.2mmという長距離を動けることが分かった。
(a) ホールハイウェーセルと光電流の電極間距離依存性 (b) 電子ハイウェーセルと光電流の電極間距離依存性
研究グループは、ホール飛程0.4mm、電子飛程0.2mmという結果から、水平交互多層接合を両者の動ける距離以内の0.14mmに設定して作製した。セルはキャリアを0.14mmもの長距離輸送をしているにも関わらず、光起電力特性を示した。開放端電圧1.0V、曲線因子0.48を観測し、水平交互多層接合を持つ有機太陽電池の動作に成功した。
(a) 水平交互多層接合を持つ有機太陽電池の光電流―電圧特性 (b) 光電流量子収率のPTCDI-C8膜厚依存性。(c) 水平交互多層接合の模式図
また、積層数を増やしたところ、光電流は急激に増大した。各層膜厚が10nm（5つのPTCDI-C8分子に相当）の場合、励起子（ホールと電子が引きつけあいペアになっている状態）を光電流発生界面に捕獲する効率は79％に到達した。また、ホールと電子の各電極への収集効率も94％と非常に高いことが分かった。これは、これまでバルクヘテロ接合でしかできなかった励起子収集とキャリア収集の両立が、水平交互積層接合においても可能なことを証明する結果だ。
研究グループは現在、超高速移動度を持たない通常の有機半導体でも、水平交互多層接合が作製できないか、研究を進めている。垂直方向膜厚は輸送に無関係で限りなく厚くできることから、有機分子の吸収の多様性を活かして太陽光スペクトルの大部分を細かく分割して活用すれば、20％以上の高効率化が期待できる。さらに、電極間距離がミリメートルのオーダーのため、金属マスクで簡便に大面積モジュールを製造することも可能だという。
(a) セルの多層化で、太陽光スペクトルの大部分を利用できる (b)ミリメートルの電極間距離のため、金属マスクで簡便に大面積モジュールを製造できる
