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むしろ「汚い」ほうが高性能だった 有機太陽電池のしくみの一部が解明

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むしろ「汚い」ほうが高性能だった 有機太陽電池のしくみの一部が解明

筑波大学、物質・材料研究機構(NIMS)、高エネルギー加速器研究機構、広島大学、産業技術総合研究所(AIST)による研究グループは、バルクヘテロジャンクション型有機太陽電池に用いる材料の状態を、軟X線顕微鏡で調べ、ナノ分子領域内で分子が混合していることを発見した。この発見により、有機太陽電池のエネルギー変換機構が明らかになり、高効率な有機太陽電池の設計指針が得られると期待される。

バルクヘテロジャンクション型有機太陽電池は、エネルギー変換効率が高いという特徴がある。これまで、高分子材料とフラーレンの単一分子ドメインとの間に綺麗な界面があることが、電池としての効率を高める上で重要であると考えられていた。しかし、変換効率を最適化した試料のドメイン構造を、軟X線顕微鏡という新しい手法を使って詳しく調べた結果、それぞれのドメインで分子が混ざっていることが分かった。つまり、界面はむしろ「汚い」ほうが電池としての性能が優れる、ということが初めて分かり、これまでの常識を覆す結果が得られた。

有機太陽電池は従来、有機電子供与体(有機p型半導体)と有機電子受容体(有機n型半導体)を層状に接合した構造(p-nヘテロ接合)が用いられていたが、近年、これら2つの材料を混合して作製するバルクヘテロジャンクション型のものが開発され、エネルギー変換効率の高さから、次世代太陽電池として期待されている。

このタイプの太陽電池が高いエネルギー変換効率を示す理由は、電子供与体である高分子材料と電子受容体であるフラーレンとのナノドメインが接合することで、大きな接合面を持つためと考えられてきた。しかし、実際に各分子領域内の構造を調べた報告例は極めて少なく、特に、熱処理条件を変えてエネルギー変換効率を最適化した混合膜において、接合状態などの詳細は明らかにされていなかった。そこで、同研究グループは、高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリーの軟X線顕微鏡という新しい手法を用いて、変換効率を最適化した試料のドメイン構造を調べた。

本研究により、バルクヘテロジャンクション型有機太陽電池のエネルギー変換効率には、分子混合が重要な役割を担っていることが明らかになった。さらに、軟X線顕微鏡の偏光依存性を調べることで、高分子領域とフラーレン分子領域との界面における分子配向が明らかにできると考えられる。同研究グループでは今後も、高効率有機太陽電池の開発に寄与する有機太陽電池のエネルギー変換機構を解明ししていく。

【参考】
産総研 - 太陽電池のエネルギー変換効率のカギは分子混合

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