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有機薄膜太陽電池の性能アップに役立つ半導体ポリマー 理研、京大が新開発

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有機薄膜太陽電池の性能アップに役立つ半導体ポリマー 理研、京大が新開発

理化学研究所(東京都)、京都大学大学院らの共同研究チームは、新しい半導体ポリマーの開発により、有機薄膜太陽電池(塗布型OPV)の光エネルギー損失を無機太陽電池並みまで低減することに成功した。

塗布型OPV 実用化に向け現在の課題は

OPVは半導体ポリマーをプラスチック基板に塗って薄膜化することで作製する。そのため、コストや環境負荷を抑えることができ、大面積化が容易、かつ軽量で柔軟性に優れるなどの特長を持ち、次世代太陽電池として注目されている。

しかし現在、塗布型OPVの実用化にはエネルギー変換効率(太陽光エネルギーを電力に変換する効率)の向上が課題だ。一般的にOPVは光エネルギー損失が0.7~1.0エレクトロンボルトで、無機太陽電池の0.5以下に比べて大きいため、吸収できる太陽光エネルギー(バンドギャップ)に対して出力できる電圧が無機太陽電池に比べて小さく、効率化を妨げている。

新開発の半導体ポリマーを塗布し高効率化

新しく開発した半導体ポリマー「PNOz4T」は、同チームが2012年に開発した10%の変換効率を示す半導体ポリマー「PNTz4T」の分子構造に改良を加えたもの。これを用いることで、OPVの光エネルギー損失を無機太陽電池並みの約0.5エレクトロンボルトまで低減した。さらにエネルギー変換効率も最大で9%と非常に高い値を示した。

光エネルギー損失を低減できた要因

同研究グループは、この要因を分光法により詳細に解析した。OPVでは半導体ポリマーが吸収した太陽光エネルギーを電力に変換するために、駆動力となるエネルギーを必要とする。OPVに太陽光が照射されると、半導体ポリマーはバンドギャップの分だけエネルギーが高い状態に変化する(励起状態)。電力を生じるためには、励起状態から、エネルギーの低い状態(電荷移動状態)に変化する必要がある。

このとき、励起状態と電荷移動状態とのエネルギー差が駆動力となるが、一方で、これがOPVに特有のエネルギー損失の一因となる。PNOz4T素子では、この駆動力となるエネルギー差がほぼゼロであるにもかかわらず、電力を生じていることが、光エネルギー損失を低減できた要因である。

さらに、この解析により、材料や製膜プロセスの改良を進めれば、エネルギー変換効率のさらなる向上の可能性があることがわかった。同研究グループは、2016年度末にはエネルギー効率12%達成を目指す。PNOz4Tの性質を最大限に引き出す事ができれば、エネルギー変換効率が実用化レベルの15%程度まで向上する可能性もある。

この研究成果成果は、JST戦略的創造研究推進事業における「高効率ポリマー系太陽電池の開発」により得られたもので、2015年12月2日の英国のオンライン科学誌「Nature Communications」に公開された。

【参考】
JST - 有機薄膜太陽電池で飛躍的なエネルギー変換効率の向上が可能に

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