光干渉効果を利用し、低コストで有機薄膜太陽電池を飛躍的に高効率化することに成功

　大北英生 工学研究科教授、尾坂格 広島大学教授、斎藤慎彦 同助教、横山大輔 山形大学准教授、吉田弘幸 千葉大学教授らの研究グループは、半導体ポリマーとフラーレン誘導体を用いた塗布型有機薄膜太陽電池（OPV）に、少量の長波長吸収材料を加えるだけで、大幅に発電効率が向上することを発見しました。

　OPVは半導体ポリマーをプラスチック基板に塗って作製できるため、コストや環境負荷を抑えることができ、大面積化が容易です。また、軽量で柔軟、透明であり、室内光下で変換効率が高いという特長を持つことから、IoTセンサー、モバイル・ウェアラブル電源や窓、ビニールハウス向け電源など、現在普及している無機太陽電池では実現が難しい新たな応用を切り開く次世代太陽電池として注目されています。OPVの実用化には発電効率の向上が最重要課題ですが、そのためには、OPVができるだけ多くの太陽光を吸収できるようにすることが不可欠です。

　今回、本研究グループは、広島大学の研究グループが以前に開発した結晶性の高い半導体ポリマーとフラーレン誘導体の混合膜に、長波長吸収帯をもつ化合物を重量比で6%だけ少量添加すると、OPVの発電効率が1.5倍も向上することを見いだしました。山形大学の研究グループが分光エリプソメトリー解析の結果を基にOPVの光学シミュレーションをしたところ、光干渉効果によって少量添加した化合物の光吸収強度が大きく増幅されたことがわかりました。さらに、本学の研究グループが過渡吸収分光法を用いて電荷生成メカニズムを解析した結果、少量添加した化合物は、半導体ポリマーとフラーレン誘導体の界面に偏在しており、これにより効果的に電荷が生成することが明らかになりました。本研究グループは、このような光増感作用と緻密に制御された材料のミクロな集合構造が、今回のOPVにおける発電効率向上の鍵であるとしています。今後、半導体層に用いる材料を改良することで、さらに飛躍的な発電効率の向上が期待できます。

　本研究成果は、2020年11月25日に、国際学術誌「Macromolecules」にオンライン掲載されました。

図：分光エリプソメトリー解析の結果を基にシミュレートした、増感型三元系OPV断面の光吸収の分布