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塗るだけで理想配列する半導体ポリマー、塗布型有機薄膜太陽電池の高性能化に道

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理化学研究所と高輝度光科学研究センターは、塗布型有機薄膜太陽電池において、実用化への最大の課題となっているエネルギー変換効率の向上に向けて、塗るだけで理想的な結晶・配向状態と高溶解性を実現し、良好な電気特性を示す半導体ポリマーを開発したと発表した。

今回、共同研究グループは、2012年に開発した技術に基づいて、ナフタレンを基本構造に持つ結晶性の高い半導体ポリマーに、直列に炭素原子が並んだアルキル基を導入して溶解性を高めることに成功した。さらに、ポリマーの配向性も向上することを見いだし、高い結晶性、溶解性、配向性を実現した。本ポリマーを用いた塗布型有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率は、従来の5%程度から8.2%と著しく向上することを確認した。

今後、塗布型有機薄膜太陽電池により適した基本構造を持つ半導体ポリマーを開発し、そこにアルキル基を導入して最適化できると、大幅なエネルギー変換効率の向上が期待できるという。

半導体ポリマーを用いた塗布型有機薄膜太陽電池は、有機半導体の溶液を塗布して形成する発電層を用いた薄膜太陽電池のひとつ。軽くて柔軟、かつ印刷プロセスで安価に作製できるという特徴を持つことから、次世代の太陽電池として研究開発競争が激化している。実用化への最大の課題はエネルギー変換効率の向上で、これを実現するためには、半導体ポリマーをより密に配列させ(高結晶性)、配列の方向をそろえる(高配向性)必要がある。しかし、塗るだけでポリマーの結晶性と配向性を制御するのは非常に困難なうえ、印刷プロセスで使用するため有機溶媒にポリマーを溶かさなければならない。しかしポリマーの結晶性と溶解性は、結晶性を高めると溶解性は低下するという二律背反の関係にあり、これを両立できる材料の開発が望まれている。

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の一環として行われ、研究成果は米国の化学会誌「Journal of the American Chemical Society」オンライン版に近日掲載される。

【参考】
理化学研究所 - 塗るだけできれいに配列する半導体ポリマーを開発

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