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筑波大学など、新解析手法の開発で、有機薄膜太陽電池の高効率化に道

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科学技術振興機構(JST)課題達成型基礎研究の一環として、筑波大学数理物質系の丸本一弘准教授は、有機薄膜太陽電池の高効率化につながる分子レベルの新しい解析手法を、世界で初めて開発したと発表した。

本手法の確立によって、太陽電池素子作製の初期段階で素子の潜在能力を検討し、高効率化を目指せるデバイスを取捨選択できるようになる。また、既存・新規の太陽電池素子について、構造欠陥部位を分子レベルで測定・解明し、改善を図ることで、さらなる特性の向上および高効率化を目指すことが可能となるという。

今回、技術上の障害の多さのために、太陽電池の計測には用いることは不可能と考えられてきた電子スピン共鳴(ESR法)を用いて、太陽電池内部の構造欠陥が起こる部位を測定できる「ミクロな解析測定手法」の開発に成功した。この測定法を用いることで、内部構造の電荷状態や分子配向などのミクロの情報を得ることが可能となった。また、その新手法によって、素子の初期特性に悪影響を与える電荷が、素子の正電荷(正孔)取り出し層とベンゼン環が連なったペンタセン層との界面に形成されることが分かり、その電荷形成の原因を取り除くことで、素子特性の向上が可能であるという分子レベルの観点からの明確な指針を与えた。

ESRは、有機トランジスタの高特性化でも実績があり、今後は、有機ELや燃料電池、有機メモリーなどにも応用することで、幅広い有機デバイスの開発にも役立つものと期待されている。

有機薄膜太陽電池は、軽量でフレキシブルといった特性を有し、印刷プロセスを用いて安価に大量生産ができるため、次世代太陽電池として注目されている。しかし、変換効率が低く(10%以下)、有機材料を用いることから特性(光電変換効率や耐久性)の劣化が大きな課題となっている。太陽電池素子中の電荷のミクロな評価は、変換効率や太陽電池の耐久性の向上に不可欠とされていたが、これまでの手法は、太陽電池素子の全体の平均値、いわゆるマクロな量を測定するもので、太陽電池内の内部状態を分子レベルのミクロな観点で測定することはできなかった。

なお、本研究成果は、2012年3月1日(ドイツ時間正午)に独国科学雑誌「AdvancedEnergyMaterials」のオンライン速報版で公開される。

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