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2014年1月 4日 (土)

有機薄膜太陽電池で電流を効率よく発生させる仕組みを実験的に解明

平成25年12月25日
科学技術振興機構(JST)
神戸大学
 
詳細は、リンクを参照して下さい。
 
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 JST課題達成型基礎研究の一環として、
神戸大学 大学院理学研究科の小堀 康博 
教授らは、有機薄膜太陽電池注1)に
できる電荷(電子と正孔)の正確な位置と
向きの観測に成功し、光から電流が効率よく
生まれる仕組みを分子レベルで初めて
明らかにしました。
 
 有機薄膜太陽電池は、現在主流の
シリコン系太陽電池(変換効率最大25%
程度)よりも小型で低コスト、柔軟性に
富んだ次世代太陽電池として注目され、
最近では変換効率が11%まで向上し、
実用化が期待されています。
 
 有機薄膜太陽電池の材料である
フラーレンや高分子は、光を電気の担い手
である電荷に変え、さらに生まれた電荷を
電極に向けて輸送する重要な役割を担って
います。
 
 このフラーレンと高分子で構成される
不均一な接合界面は、バルクへテロ型接合
(BHJ)と呼ばれ、高い変換効率を生む
ことから、現状の有機系太陽電池の主要な
構造です。
 
 しかし、光照射後に電子と正孔が
どのような位置や向きで生成し、有機分子
からどのように効率的に光電流が生まれる
のかを分子レベルで観測した例はなく、
高効率化の機構はこれまで謎でした。
 
 今回、小堀教授らはパルスレーザー照射
で生じる中間体の磁気的性質を
1,000万分の1秒の精度で検出する
時間分解電子スピン共鳴法注2)を駆使し、
有機薄膜太陽電池基板の光照射直後に生成
する電子と正孔の正確な位置や向きと
電子軌道注3)の重なりの観測に初めて
成功しました。
 
 その結果、高分子材料のアルキル鎖の
分子運動(フォノン効果)によって、
BHJで生成した電子と正孔の間の距離が
伸び、電極に運ばれることが分かりました。
 
 さらに、界面付近の高分子材料による
領域では自己組織化による規則的な結晶相
が形成されており、この結晶性により
正孔の電子軌道に大きな空間的広がりを
生む様子が見いだされました。
 
 以上のことから、フォノンと結晶性の
相乗効果で電荷再結合を抑制しながら電荷
を無駄なく電極に伝達し、効率よく光電流
ができる仕組みが解明されました。
 
 本成果により、高分子材料のアルキル鎖
のフォノン効果や結晶相の形成を活用する
ことで電荷再結合を防ぎ電荷解離を促進
できることが明らかになりました。
 
 これは、今後の有機系太陽電池をはじめ
としたデバイス開発に不可欠な半導体分子
の制御や設計・合成に明確な指針を与える
もので、さらなる高効率化実現の加速に
貢献することが期待されます。
 
 研究成果は、2013年12月24日
(米国東部時間)発行の米国化学会誌
「The Journa of 
Physical Chemistry
 Letters」のオンライン速報版
で公開されます。
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 難しいですね。
 
 有機薄膜太陽電池の発電効率はまだまだ
低い状態です。
 
 今回の解明でさらに進展しそうです。
 
>本成果により、高分子材料の
>アルキル鎖のフォノン効果や結晶相の
>形成を活用することで電荷再結合を
>防ぎ電荷解離を促進できることが
>明らかになりました。
 
>これは、今後の有機系太陽電池を
>はじめとしたデバイス開発に不可欠な
>半導体分子の制御や設計・合成に明確な
>指針を与えるもので、さらなる高効率化
>実現の加速に貢献することが期待され
>ます。
 とのことです。
 
 今後に期待しましょう。

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