成果報告書詳細
管理番号20120000000376
タイトル*平成23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2012/12/4
報告書年度2011-2011
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
和文要約和文要約等(以下本編抜粋)
コンソーシアム委託先の連携において、新規半導体材料と新構造素子技術の創製により、7.7%のセル効率を実現した。また、CELIV, 固体NMRなど独自の手法を開発、素子特性の評価により、薄膜構造と機構解明に成功した。
 p型半導体材料に関しては、新規4材料のうち効率6%以上の材料を2種開発した(特許申請中)。セル変換効率8%(1cm角)以上に向けて、HOMO-LUMOバンドギャップ調整によりVoc0.8 V以上を達成し、吸収波長領域拡大によるJ向上で13 mA cm-2を達成しており独自ポリマーで効率8%が視野に入ってきた。
 n型半導体材料の開発では、P3HT系との組み合わせで、PCBMを20%上回る新材料の開発に成功した。また、バンドギャップ調整によりVoc=0.9 Vを達成し、1.0 Vをめざした開発を進めている。また、高純度化によるJ向上によりJsc=16 mA cm-2以上を達成した。この結果は、他の系でも応用可能であり、今後n型による1%の効率上乗せが可能となった。
 新素子構造の開発では、中間層、電子輸送層の界面制御を行い、酸化チタン層によるシングルセルの最適化でFF= 0.7を達成し、0.8が視野に入ってきた。機構解明では、固体NMR法、CELIVキャリア移動特性評価法を提案し、in-situ相分離構造解析・評価を可能とした。
最も時間のかかる素子特性の最適化について、10倍以上の迅速化を可能とするコンビ手法を開発し、新規塗布法による傾斜組成薄膜評価を実現した(特許申請中)。今後も企業との連携を強化して、変換効率12%の早期実現をめざす。
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) FY2011 Annual Report
Through collaborations with the consortium companies, power conversion efficiency (PCE) of 7.7% has been achieved using novel semi-conducting materials and device structures. Since the device optimization is the most time-consuming process to get the highest performance, we have developed a combinatorial method to realize the high throughput screening which enable more than ten times rapid evaluation of the device, through the novel coating method (submitted for patent) and incident photon to current efficiency (IPCE) measuring method using optical fiber. To optimize the device structures, originally developed methods of photo charge extraction in a linearly increasing voltage (Photo-CELIV) and solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) have been also successfully applied to elucidate the PV-mechanism. Through further collaborations with consortium member companies, we will achieve 12% PCE as soon as possible. Regarding the p-type semi-conducting materials, two out of four original materials, developed in the last 2 years, showed the promising data of over 6% PCE (submitted for patent). In fact, poly{naphthobisthiadiazole (NTz)-quarterthiophene (QT)} (PNTzQT)/PC61BM-based bulk heterojunction solar cells exhibit high photovoltaic properties with PCEs of 6.3% (Jsc 12.0 mA/cm2, Voc 0.76 V, FF 0.69). To achieve 8% PCE, Voc of over 0.8 V and Jsc up to 13 mA cm-2 has also been achieved by HOMO-LUMO band gap tuning and the extension of absorption band, respectively. Regarding the n-type semiconducting materials, we have successfully developed novel fullerenes, which resulted in 20% enhancement of PCE compared with PCBM in the combination with P3HT. Voc of 0.9 V was also achieved by band gap tuning, and the efforts are now focused on Voc of 1.0 V. Furthermore, improvements in Jsc of over 16 mA cm-2 has also been attained by the high purification of the n-type materials. As to the novel device structures, interface regulation of interlayer and electron transporting layer has been performed. FF of 0.7 had been realized by utilization and optimization of titanium dioxide, FF of 0.8 seems to be achievable in the near future. Regarding the PV-mechanisms, we have proposed new evaluation techniques of solid-state NMR and CELIV, which made it possible to analyze and estimate the in-situ phase-separated structures and carrier mobility.
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