成果報告書詳細
管理番号20110000000877
タイトル*平成22年度中間年報 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 有機薄膜太陽電池モジュール創製に関する研究開発(材料・構造最適化技術の研究開発)
公開日2011/7/28
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人京都大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 2030年までに太陽光発電量を53 GWとする我が国の導入目標を実現するために、安価で資源制約の少ない有機薄膜太陽電池(OPV)モジュールの製造のための光電変換組成物とモジュール製造の要素技術に関する研究開発を行う。これにより、セル効率12%およびモジュール効率10%を世界にさきがけ実現するものである。当事業では高分子系有機薄膜太陽電池モジュールの開発をおこなう。当事業では材料・構造最適化技術の研究開発をおこなう。
1)p型材料の開発:高Jscモデルとしてチオフェン-メチン骨格を主鎖に含む新規共役系ポリマーは、600 nmから1000 nmにかけての広い吸収帯を示し、薄膜化することで、極大波長のレッドシフト(55 nm)及び広幅化を実現した。高Vocモデルのナフトジチオフェン(NDT)ドナー/ベンゾチアジアゾールアクセプターポリマーは、分岐状アルキル基導入による可溶性向上およびp:n混合比の最適化により変換効率3.74%を達成した。4種のNDT異性体でVoc調整が可能であり、現在最大で0.80 Vを実現した。
2)n型材料の開発:シンプルな分子設計でLUMO準位の引き上げによるVoc増大が可能となり、PC61BMを10%ないし20%凌駕する独自の高Voc材料開発を実現した。
3)素子構造の開発:高Jscと高Vocを示す界面設計戦略を開発した。ZnOナノロッドアレイ表面への低分子色素修飾により、Jscの4倍増大とVocの倍増を実現した。
4)機構解明の研究:rr(またはrra)P3HT:PCBM混合系相分離状態(相溶性と光電変換特性相関)を解析し、P3HT:C60混合系におけるドナー・アクセプター相互作用の解明と、実デバイスでのキャリア移動特性評価(CELIV)を行った。
5)素子特性の最適化:スピンコート代替新規プロセスによる多元セル作製と2次元評価手法の開発を実施した。白色干渉式表面プロフィラー法による、2D評価法を実施し、数百ミクロンの走査範囲で数十nmの凹凸を瞬時に計測可能となった。
英文要約Title: Research and Development of PV Technology: Development of High Performance Technology for Next-Generation Solar Cells
R & D of Novel Organic Thin-Film Solar Cell Modules: R & D of Optimization Technology for Materials and Structures (FY2010-FY2012) FY2010 Annual Report
Kyoto University
To achieve 10% module of organic solar cells as the final goal, followings are main research output in the year of 2010.
1) New p-type material
High short-circuit current (JSC) model: Low bandgap polymers, PQD, consisting of electron-rich 2,5-thienoquinodimethane and pristine thiophenes with electron-deficient diketopyrrolopyrrole were designed and synthesized. The solar cell with PQD:PC71BM photoactive layer showed broad photoresponse ranging from 400 to 1000 nm, while the power conversion efficiencies (PCE 0.71%) was still at a moderate level.
High open-circuit voltage (VOC) model: We designed and synthesized NDT3-based semiconducting polymers (PNDT3BTz) with a donor-acceptor backbone, where NDT3 is the donor (D) and benzothiadiazole is the acceptor (A), and long branched alkyl side chains. The polymers had a relatively broad absorption ranging from 350 to 750 nm. PNDT3BTz with R = 2-hexyldecyl exhibited PCE of around 2.0% of the bulk heterojunction (BHJ) solar cell blending with PC61BM. PNDT3BTz with longer alkyl chain (R = 2-decyltetradecyl) gave a reduced leak current, leading to the improved VOC with 0.74 V, FF with >0.6, and PCE of around 3.5%, which is comparable or higher than those for poly(3-hexylthiophene) (P3HT). We are also successful to synthesize semiconductor polymers with isomeric naphthyl derivatives~benzothiadiazole, and with Donor~diketopyrrolopyrrole, which are currently being investigated.
2) New n-type material
We succeeded in the preparation of three types of skeletally-modified fullerenes (SMFs) with distinct LUMO levels. We also evaluated the performance in the BHJ solar cells consisting of the SMFs and P3HT as the acceptor and the donor materials. One of the SMF marked the high Voc of 0.74 V, which is 20% higher than that of the device using PC61BM (Voc = 0.61 V).
3) New device structure
ZnO 1D nanorods have been applied to solar cells with P3HT:PC61BM photoactive layer. The device showed relatively high JSC of 7.56 mA cm~2.
4) Elucidation of mechanisms
We carried out solid-state NMR analysis for the investigation of D/A interaction in rr-P3HT/C60 blend films. From DP/MAS 13CNMR experiments, upfield shifts of C60 resonance lines by 0.26 and 0.42 ppm were observed for rr-P3HT:C60 = 50:50 and 75:25 (wt%) blend films. The results indicate that all the C60s are at the D/A interface and that electrons are partially transferred from rr-P3HT to C60. By annealing of these films, the upfield shifts became smaller. The results show the weakening of D/A interaction by the annealing. In particular, the shift is negligible for the 50:50 sample, which suggests the occurrence of phase separation.
5) Optimization
We have developed novel process for preparation of combinatorial libraries, constructing the evaluation systems together, which is composed of multi equipments such as surface profiler, laser-beam induced current analyzer, electroluminescence analyzer for 2D analyses of the PV devices.
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