成果報告書詳細
管理番号20110000000249
タイトル平成19年度~平成20年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業/新エネルギーベンチャー技術革新事業(太陽光発電)/有機薄膜太陽電池用n型材料の高性能化並びに低コスト化技術の開発
公開日2011/5/17
報告書年度2007 - 2008
委託先名FLOX株式会社
プロジェクト番号P10020
部署名研究開発推進部
和文要約 有機太陽電池は構成材料が比較的安価で量産も容易であるため、発電コストを飛躍的に低減できる可能性が期待されている。特に、バルクヘテロ接合(BHJ)型は、従来型の太陽電池に比べて軽量で柔軟、敷設費用が安くなる等のメリットから関心が集まっている。しかし、現状ではBHJ 太陽電池の光電変換効率は低く、実用化に向けて飛躍的な性能向上が求められており、活性層に用いられる半導体材料の高性能化が最も重要であるが、n型材料の改良はあまり進んでいない。そこで、本事業ではBHJデバイスの高性能化と低コスト化が可能なn型材料を開発することを目的とした。フェーズIでは、低コスト化で有利なフラーレン酸化物からのフラーレン誘導体合成技術を用いて新型BHJ太陽電池用n型材料の開発について検討を行った。BHJ太陽電池の課題の一つは開放電圧の向上であるが、これはp型材料のHOMOとn型材料のLUMOのエネルギー差に起因すると考えられる。そこで、我々はPCBMより低い還元電位を有するフラーレン誘導体の分子設計を行い、それをフラーレン酸化物から合成することに成功した。さらに、フラーレン誘導体の結晶配向性の作用について検討を行うため、フラーレン誘導体薄膜の構造規則性を評価できる独自の方法を確立した。これは、表面自由エネルギーを制御したアモルファスカーボン基板上にフラーレン誘導体の薄膜を作製して、その自己組織化によって形成されるマイクロ構造をAFMで直接観測する手法である。この方法を用いて、我々はフラーレン誘導体の化学構造とマイクロ構造体の形成能の関係を明確にし、電子輸送性の優れるn型材料の設計指針を得ることができた。上記の成果に基づき、フェーズII(1年のみ)では実際に数種類のフラーレン誘導体を合成し、レドックス特性や配向性を評価するとともに、BHJ光電変換デバイスを独自に試作して光電変換特性の簡易評価を行った。比較的レドックス特性に優れるindolino型フラーレン誘導体のLUMO準位と溶解性を改善する方法を検討した結果、4’-MeO置換されたindolino型フラーレンでは置換基上にある不対電子からの空間的な相互作用によって還元電位を効果的に低下することを見出した。この4’-置換indolino型フラーレン(1b)は無置換のindolino型フラーレン(1a)やPCBMよりも低い還元電位を示し、BHJ太陽電池用のn型材料として適したレドックス特性を有することが明らかになった。この近接基からの電子効果は、密度汎関数理論計算の結果からも支持された。しかしながら、1b/P3HT系のBHJ光電変換デバイスは、短絡電流(Jsc)が極めて低く、ほとんど光電変換効率を示さなかった。これは1bに十分な配向性を備わっていないことが原因であると考えている。BHJ太陽電池用n型材料は溶解性だけでなく、自己配向性の制御も重要である。そこで、上述のAFMを用いた配向性評価で優れた性能を示した2-methoxy-1,3-dioxolo [60]fullerene(2a)を用いてBHJデバイスを試作した。光電変換測定の結果は1.21%を示し、これは我々が試作したPCBM/P3HT系BHJデバイスの内部最高値である1.16%を凌ぐ値であった。ソーラーシミュレーターを用いた測定でも同様の傾向を示した。本事業はBHJデバイスの性能を向上に必要なn型材料を開発することに成功した。我々の開発した各種フラーレン誘導体は、電子輸送特性と低コスト生産性を両立できるn型半導体材料として、今後の幅広い展開が期待できる。
英文要約Organic photovoltaic devices offer the potential to greatly decrease the cost and availability of photovoltaic energy due to lower material and manufacturing costs. In particular, bulk hetero-junction (BHJ) organic photovoltaic devices offer several advantages over the current inorganic devices, including fabrication with flexible substrates, lightweight, and production by inexpensive processes. But the power conversion efficiencies of the BHJ devices must make great stride to realize widespread commercialization of them, and such improvements will require new semiconductor materials constituting the active layer. This project aimed to research on the development of a new class of fullerene derivatives, which can be used as n-type organic semiconductors, and combines them with existing p-type conducting polymers to produce BHJ devices.In Phase I, we developed synthetic strategy of new classes of fullerene derivatives from its oxides. One problem on BHJ devices is the low open-circuit voltage which believed to originate from the difference in energy between the HOMO of the donor and the LUMO of the acceptor. We could obtain several new types of fullerene derivatives with lower reduction potential than that of PCBM. Furthermore, the interplay of crystallographic orientation of fullerene derivative was examined by our original technique for estimating structural regularity, which is AFM observation of characteristic microstructure of fullerene film on an amorphous carbon wafer.In the first year of Phase II, we found a much more effective approach to raise the LUMO by altering the fullerene cage under the influence of substituent indirectly due to hyper-conjugation. The first reduction potentials (E1red) of 4’-substituted indolino[60]fullerene (1b) is significantly lower than indolino[60]fullerene (1a) or yet PCBM; 1b is expected to be an electron-acceptor material with superior LUMO level in BHJ OPV use. However the photovoltaic efficiency as measured in BHJ device fabricated from 1b/P3HT films was less compared to PCBM. The reason for this is supposed to extremely low short circuit current due to low self-organization capability of 1b itself. Importantly, n-type materials for BHJ device are not only highly soluble in aromatic solvents, but also appropriately self-organization capability. We synthesized 2-methoxy-1,3-dioxolo [60]fullerene (2a), which indicated superior self-orientation ability observed by AFM technique as mentioned above. Testing for the device used 2a as a substitute for PCBM gave an efficiency of 1.21% compared to 1.16%, which is the highest our efficiencies recorded for a P3HT/PCBM device.With the present approach we have finally succeeded in altering the electronic properties of the n-type materials sufficiently for a significant improvement in device performance. Our new n-type materials may even offer notable advantages in the organic electronic devices due to its greatly increased electron mobility and low-cost productivity.
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