有機太陽電池の電圧損失を色素分子の精密合成で約30%削減 分子科学研究所と静岡大学

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分子科学研究所 教授の平本昌宏氏、静岡大学 教授の高橋雅樹氏らの研究グループは2020年2月5日、色素分子の精密合成で有機太陽電池の電圧損失を約30%削減することに成功したと発表した。非発光再結合損失の抑制には、色素分子のエネルギーレベルの制御が重要だと明らかになった。

研究グループは、代表的な赤色顔料であるペリレンジイミド分子の精密修飾法を開発し、その分子のエネルギーレベルをコントロールし、有機太陽電池の電圧損失の抑制に成功した。

ペリレンジイミド分子の骨格は4つの修飾位置(ベイポジション)が存在するが、独自の臭素化技術を駆使し、ペリレン誘導体の4つのベイポジションに自在に異なる官能基を導入できるテーラーメイド合成に成功。その一環として、ペリレンジイミドのベイポジションに4つの電子供与性の官能基を導入した新規n型有機半導体分子を開発した。

新規分子はX線構造解析の結果、置換基の影響で分子内でねじれ構造を取り、有機溶剤へ高い溶解性を示したため、新規分子を電子アクセプタとし、p型の有機半導体ポリマーを電子ドナーとして使用した有機太陽電池を作製。新規分子を使用すると、これまでの無修飾のペリレンジイミド分子を使用した場合と比べ、有機太陽電池の開放端電圧が0.25Vと大幅に向上し、1.0Vに到達したという。

(a)ペリレンジイミド色素とその分子構造  (b)新たに合成した色素分子の構造とX線構造解析の結果

エネルギー損失の精密解析によって開放端電圧向上の要因を探ったところ、新規分子は電子供与性基の導入によって分子のエネルギーレベルが上昇した結果、自由電荷を生成する際のエネルギー損失が0.14V減少したことがわかった。さらに、非発光エネルギー損失も0.10V減少しており、開放端電圧の大幅な上昇にはこの二つが寄与していることがわかった。

特に非発光再結合損失は、無機太陽電池に比べ、有機太陽電池の効率が低い最大の原因であると言われている。電子供与性基の導入によってペリレンジイミド分子のエネルギーが上昇した結果、自由電荷の状態と電子と正孔が分子内で結合している励起子の状態とのエネルギー差が小さくなり、再結合の際に励起子から発光するルートの寄与が大きくなる。その結果、新規分子では再結合の際の発光効率が向上し、太陽電池の電圧損失が減少したと考えられるという。

(a)作製した有機太陽電池の模式図  (b)新規分子と従来分子を用いた太陽電池の電流電圧曲線   (c)電圧損失の内訳

高効率な有機太陽電池の開発には、ペリレンジイミド分子のエネルギーレベルだけでなく、光吸収領域や電子移動度などの色素分子のほかの特性も最大化していく必要がある。近い将来、変換効率の向上が進むことで、有機色素を用いた自然にやさしい有機太陽電池が再生可能エネルギーの主役となっていくことが考えられる。

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