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筑波大など、発電中の高分子太陽電池の劣化原因を特定

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筑波大など、発電中の高分子太陽電池の劣化原因を特定

筑波大学数理物質系の丸本一弘准教授は、高分子太陽電池に光を照射して蓄積する電荷の状態を分子レベルで解明し、それが特性の劣化と明らかな相関があることを世界で初めて証明した。

高分子太陽電池をはじめ有機デバイスの実用化には耐久性の向上が重要な課題となっていたが、今回の解明により、高分子太陽電池の劣化を防ぎ、耐久性の向上に大きく貢献することが期待される。

有機薄膜太陽電池の一種である高分子太陽電池は、現在主流のシリコン系太陽電池(変換効率20~25%)よりも低コストで軽く、柔軟性のある次世代太陽電池として注目されており、最近では、変換効率も11%まで向上し実用化が期待されている。

これまで、高分子太陽電池に光を照射すると、酸素や水分がない状態でも太陽電池の素子の特性が劣化することが知られており、これは素子内部に蓄積された電荷が原因と考えられてきた。

しかし、従来の電気的測定などの手法では、電荷が蓄積した場所を特定できず、また電荷の蓄積と特性劣化との相関も証明されていなかったため、高分子太陽電池の耐久性向上の手がかりがつかめなかった。

今回、同大学では、電子スピン共鳴法(ESR法)と専用の疑似太陽光照射光源を用いて、実際に太陽電池を駆動させる同じ条件下で蓄積された電荷の数を精密に測定し、さらに太陽電池特性を同時に計測する手法を開発し、高分子材料中に電荷が蓄積され、蓄積量が多くなるほど劣化するという明らかな相関があることを証明した。

これにより、従来の電気的測定などでは不可能だった素子劣化の迅速な問題解決が可能となった。その解析結果を踏まえて、素子作製時に電荷の蓄積を生じない工夫を行うことで劣化を未然に防止し、さらなる耐久性の向上を目指すことが可能となり、効率向上をはじめとする高分子太陽電池の研究開発及び実用化の加速に大きく貢献することが期待される。

同手法は、高分子太陽電池をはじめ有機トランジスターや燃料電池などのあらゆる有機系デバイスにも適用できるため、今後、幅広く応用する検証を進めることで、将来的にはより広範なデバイスの特性の向上に役立つと考えられている。

【参考】
筑波大学 - 発電中の高分子太陽電池の劣化の原因を解明(PDF)

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