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筑波大など、有機薄膜太陽電池のしくみ解明に1歩前進

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筑波大など、有機薄膜太陽電池のしくみ解明に1歩前進

筑波大学および独立行政法人物質・材料研究機構は、有機薄膜太陽電池デバイスの評価・理解に重要な電荷生成効率の決定方法を確立したと発表した。

これにより、高効率な太陽電池材料のスクリーニングが可能になるとともに、有機系太陽電池のエネルギー変換プロセスの解明につながると期待される。また、本方法により、有機薄膜太陽電池が低温で動作しない原因が、電荷輸送プロセスにあることが明らかになった。

有機薄膜太陽電池は、フレキシブル・低コストで環境に優しいことから、次世代太陽電池として着目されている。最近では、エネルギー変換効率が11%を超える報告もあり、実用化が期待されている。

有機薄膜太陽電池デバイスの内部では、(I)励起子の生成、(II)分子界面での電荷生成、(III)集電極へ電荷移動、といった複雑なプロセスで光電エネルギー変換がなされている。しかし、これまで、これらの素過程を定量的に分離する試みはなく、有機薄膜太陽電池のデバイス性能が、どの素過程の効率に由来しているのか、理解されていなかった。

本研究グループは、超高速分光と電気化学ドーピングを組み合わせることにより、(II)に対応する、有機薄膜太陽電池の電荷生成効率(界面において、一個の光子から電子が生成する確率)の絶対値を決定することに初めて成功した。超高速分光では吸収された光子一個あたりの近赤外領域の吸収変化が分かり、電気化学ドーピングでは電荷一個当たりの近赤外領域の吸収変化がわかる。したがって、両者を組み合わせれば、一個の光子から何個の電荷が生成するがわかる。

ここで、電荷輸送効率(生成した電子が、集電極に到達する確率)を定義すれば、内部量子効率(太陽電池に一個の光子が吸収された際、素子から取り出される電子の数)に対して、内部量子効率=電荷生成効率×電荷輸送効率、という関係が得られる。

この方法を用いて、一般的な2つの有機薄膜太陽電池において、いずれも、電荷生成効率は室温および極低温(-193℃)で不変であることがわかった。このことから、有機薄膜太陽電池が低温で動作しない(内部量子効率が低下する)原因は、電荷輸送効率の低下にあると結論付けることができる。このように、本評価法は、デバイスの律速過程が電荷生成プロセスと電荷輸送プロセスのどちらであるかを一義的に決定する。

今後、この本評価法駆使して、有機薄膜太陽電池のエネルギー変換機構を解明し、高効率有機太陽電池の開発に貢献していく考えだ。また、新規高分子材料にこの方法を適用し、その潜在能力を評価していく。

【参考】
筑波大学 - 太陽電池デバイスの電荷生成効率決定法を確立

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