超薄型有機太陽電池の寿命15倍＆高効率化を実現

今回開発した超薄型有機太陽電池（クリックで拡大）　出典：理化学研究所

　理化学研究所（理研）は2020年3月10日、従来の15倍の寿命を実現する高効率な超薄型有機太陽電池の開発に成功した、と発表した。ウェアラブル機器やソフトロボット用のセンサー、アクチュエータなどに向けた軽量で柔軟な電源としての応用が期待される。

【画像】 今回開発した超薄型有機太陽電池と過去開発品の長期保管安定性比較など（クリックで拡大）　出典：理化学研究所

　開発を行ったのは理研開拓研究本部、染谷薄膜素子研究室専任研究員、福田憲二郎氏と同主任研究員、染谷隆夫氏、創発物性科学研究センター創発機能高分子研究チームリーダーの但馬敬介氏らの国際共同研究グループだ。

　福田氏らはこれまで、耐水性、耐熱性を備えつつ、エネルギー変換効率が10.5％に達する超薄型有機太陽電池を開発しており、ウェアラブルセンサーとの集積化など進めてきた。ただ、超薄型有機太陽電池は基板や封止膜に薄い高分子フィルムを使用していることから十分なガスバリア性の確保が難しく、また、安定的に駆動するための発電層や電荷注入層の界面を制御する手法がなかったため、エネルギー変換効率と長期保管安定性の両立は不十分だったという。

　今回開発した超薄膜有機太陽電池は、基板から封止膜までの全てを合わせた膜厚が3μmと極薄ながらエネルギー変換効率は13％と高いうえ、大気中で3000時間保管した後も95％以上のエネルギー変換効率を保持する性能を実現。これまでの研究の最高値と比較すると、エネルギー変換効率は約1.2倍向上、長期保管安定性は15倍改善したことになるという。

　この性能を実現したポイントは、高エネルギー交換効率と熱安定性を併せ持つ新しい発電層の設計と、ポストアニール処理（電子素子を作製した後に行う加熱処理）による熱安定化技術の2つ。具体的には、以下の通りだ。

　新しく開発した発電層では、ドナー材料として東レが近年新たに開発した熱安定性に優れる半導体ポリマー「PBDTTT-OFT」を利用。従来はこのPBDTTT-OFTとランダムに混合したバルクヘテロ接合構造の発電層を作製するために、アクセプター材料としてフラーレン誘導体を利用していたが、今回代わりに非フラーレン誘導体の「IEICO-4F」を用いたことで、光捕集性と熱安定性により優れる発電層の作製に成功したという。

　これに加え、素子作製後に簡単な熱処理を行うポストアニール処理（今回は作製した有機太陽電池を窒素雰囲気下で150℃のホットプレート上に5分間置くという処理を実施）によって、長期保管安定性の改善も実現したとしている。

　この長期保管安定性改善の原理については、同グループが微小角入射広角X線散乱法やX線光電子分光法などによる物性評価を行った結果、ポストアニール処理を施すことにより、発電層と正孔輸送層の界面での電荷輸送が改善した結果ということが判明。また、他の発電層材料や正孔輸送層を試したところ、ポストアニール処理後にエネルギー変換効率が低下してしまったといい、「今回の素子構成でのみ高いエネルギー変換効率が保持されることが判明した」という。