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「重ね塗り」で有機薄膜太陽電池を高性能化 変換効率が2倍に

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「重ね塗り」で有機薄膜太陽電池を高性能化 変換効率が2倍に

奈良先端科学技術大学院大学と山形大学は、軽量で柔軟性などに優れた次世代の太陽電池として研究されている有機薄膜太陽電池の新しい材料を開発し、太陽電池として動作することを実証したと発表した。

溶媒に溶かした材料を基板に塗布して薄膜を作製するタイプの半導体で、光を当てると常温で不溶化して固まるため、材料を変えて重ね塗りしても混じらず、半導体の積層構造ができる。

この方法で光から電気への変換効率を2倍以上に向上できたうえ、今後、材料の組み合わせを自由に変えて高効率の半導体を設計し、プラスチックフィルム上に作製することも可能になる。

研究概要

有機薄膜太陽電池とは、現在主流のシリコン型太陽電池のかわりに、有機材料を活性層に用いた太陽電池。従来の塗布型有機薄膜太陽電池では、バルクヘテロ構造と呼ばれるp型(電子を供給する側)とn型(電子を受け入れる側)の半導体を混合した層を一層だけ成膜する方法が主流だった。それは材料が溶媒に溶けるため、重ね塗りによる積層構造を作製することが困難であるためである。

本研究グループでは、溶媒に溶かして基板上に塗布した後に、光を当てることで不溶化する有機半導体材料を開発し、室温条件下、溶液プロセスでp-i-n積層構造(バルクへテロ層をp層とn層で挟んだ積層型太陽電池。蒸着による作製が主流)の太陽電池を作製することに成功した。

積層構造が可能なので、p層とi層(中間層)にそれぞれの役割に適した構造の化合物を使うことができるようになり、テイラーメイドの化合物を利用することが可能になった。その結果、同一材料のバルクへテロ型太陽電池に比べて、変換効率で2倍以上の向上が確認された。

本手法は光を使った不溶化であるため、室温または穏やかな条件で結晶性の薄膜を作製することが可能。また光照射の条件や材料の構造をうまく調整することで薄膜の構造を制御でき、さらに各層に適した異なる材料を組み合わせられることから、従来のバルクヘテロ構造よりもデバイスの設計自由度が増し、将来的な高効率化が見込まれる。

本研究成果は、JSTの戦略的創造研究推進事業CRESTの「太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出」研究領域(研究総括:山口真史氏)の研究課題「革新的塗布型材料による有機薄膜太陽電池の構築」(研究代表者:奈良先端大山田容子教授)によって得られた。

【参考】
奈良先端科学技術大学院大学 - 「重ね塗り」で有機薄膜太陽電池を高性能化

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