有機太陽電池の光電変換効率向上に応用可能な、有機半導体pn接合の整列に成功 東京理科大など

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分子の並び方に乱れの多い従来のバルクヘテロ接合型有機太陽電池(左)と,分子が規則的に配列した結晶性の有機半導体pn接合を利用することで実現が期待される理想的な有機太陽電池(右)の概念図

東京理科大学は2019年3月25日、分子科学研究所、高輝度光科学研究センターと共同で、有機半導体pn接合において、分子を高度に整列させることで電子が素早く動ける波動的な状態になることを実証したと発表した。この発見は、有機太陽電池の光電変換効率向上に応用できる可能性があるという。

有機太陽電池は、プラスチックなどの軽くてフレキシブルな基板上に、インクジェットなどの手軽な印刷方式で製造できることなどから、有望な産業技術として期待されている。しかし、光電変換効率が悪いことが実用化の課題となっていた。

有機太陽電池では、電子を受け取りやすいアクセプター分子(n型有機半導体)と、電子を放出しやすいドナー分子(p型有機半導体)が組み合わさった界面である「pn接合」におけるキャリアの移動によって発電する。しかしこれまでのpn接合は複雑な構造を持たざるを得ないために、キャリアがスムーズに移動できず、光電変換効率の向上が困難だった。

今回の研究では、ドナー分子にペンタセン、アクセプター分子にフッ化ペンタセンを用い、半導体の結晶薄膜を、基板となる結晶の上に結晶軸方向を揃えて成長させる技術である「有機半導体エピタキシー技術」を適用。ドナー分子の単結晶上にアクセプター分子を規則正しく整列させた有機半導体pn接合の作製に成功した。

また、作製した結晶性pn接合を角度分解紫外光電子分光法により計測し、アクセプター分子の結晶薄膜において電子が波動的な性質を示す証拠となる価電子バンドの形成も確認した。

今回の研究により、キャリア生成しやすく電極から取り出しやすい有機太陽電池の新しい技術基盤が確立された。今後はさまざまな材料で波動的な性質を示す有機半導体pn接合の作製技術を確立することで、新しいタイプでより高効率の有機太陽電池の開発が期待されるという。

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