成果報告書詳細
管理番号20120000000576
タイトル平成21年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム未来技術研究開発 超階層ナノ構造を有する高効率有機薄膜太陽電池の研究開発
公開日2013/6/25
報告書年度2009 - 2009
委託先名新日本石油株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約1.光電変換特性および耐久性の基礎性能評価
・材料純度と耐久性の検討を行い、高純度材料を用いて、高真空下(<10-7torr)での高分子系有機薄膜太陽電池の1sun連続光照射試験(AM1.5、100mW/cm2)を実施し、約89時間連続照射後の相対効率低下率 9%(200時間連続照射後で 11%)を達成した。
・フロント層として高分子系(P3HT:PCBM)、バック層として低分子系(PbPc:C60)のタンデム型バルクへテロ構造素子を想定し、これらを電気的に接合するための中間層の開発・最適化を実施した。高分子層のラフネスを指標として中間層中のホールブロック層の厚みの最適化を行い、タンデム素子でのVocを0.6Vから0.8Vに向上させた。
2.デバイス耐久性の向上検討
・デバイス化の効果について明らかにするため、封止デバイスの作製検討ならびに耐久性評価を行った。封止環境が耐久性および効率に与える影響を検討した結果、真空脱気および内部窒素充填により封止デバイス耐久性が向上することを見出した。
・上記をふまえて封止材料ならびに封止方法・条件の検討を実施した結果、ラミネート法を用いた封止素子によって、1sun連続光照射試験(AM1.5、100mW/cm2)で、200時間連続照射後の効率低下率0%(封止処理後の効率を基準)を達成した(効率低下率 10%@300時間)。
3.新規開発材料のデバイス化と耐久性評価
・共同研究先(京大・再委託:大阪市立工業研究所)にて開発された種々の置換基構造を持つフラーレン誘導体を評価し、VocとLUMOレベルの相関を見出すと共に、置換基構造とVoc向上の関係を明らかにした。また、P3HTとの組み合わせでPCBM(Voc=0.62V)に比べVocで30%(Voc=0.80V)、変換効率で16%向上する2置換型フラーレン誘導体の開発に成功した。
・さらに上記結果を踏まえて、分子構造がVocに与える影響を系統的に検討し、特定構造の導入により1置換体でもVoc=0.75Vと大きく向上する置換基構造を開発した。
・新規アクセプターの構造面での特徴をふまえて耐久性比較を行い、チオフェン基の置換基構造と耐久性の関連性があることを示した。
英文要約New Energy Technology Development:R&D for Next Generation PV System Technologies: Research & Development of high-efficient organic thin-film solar cell with supra-hierarchical nano-structure (FY2006-FY2009) Final Report

1. Characterization of organic photovoltaics.
We found that the material purity used in polymer bulk heterojunction (BHJ) solar cells strongly affected the cell performance. The cells were fabricated using blends of P3HT and PCBM with different purity and the photovoltaic performance was investigated under light illumination (AM1.5, 100mW/cm2) in vacuum condition (< 10-7 torr). The best cell showed a slight decrease in cell efficiency of 9 % after 89 hour illumination and of 11 % after 200 hour illumination.
We developed the intermediate layer in the organic tandem solar cell, in which the polymer BHJ subcell was stacked onto the small-molecular-weight organic subcell (PbPc: C60) and the subcells were interconnected in series with the layer. The thickness of the hole-blocking layer in the intermediate layer of the tandem cell was optimized as a function of surface roughness of polymer subcell, resulting in the improved open circuit voltage (Voc) of the tandem cell from 0.6 V to 0.8 V.
2. Stability of encapsulated polymer BHJ solar cells.
We developed the encapsulating techniques of the cells. Vacuuming the cell and then encapsulating it in N2 atmosphere reduced the degradation mechanisms by moisture and oxygen in polymer BHJ solar cells, enabling to prolong the life of the cells. After investigations of encapsulation materials and encapsulation conditions, we could fabricated the encapsulated cell using a laminator which showed no decrease in cell efficiency after 200 hour illumination and a small decrease of 10 % after 300 hour illumination.
3. Novel fullerene derivatives.
We tested the fullerene derivatives, which were newly synthesized in this project, in solar cells comprising P3HT as donor materials. The relationship between electrical properties of the functional groups of the derivatives and the photovoltaic performance was investigated. The higher Voc of the cell was obtained owing to the higher LUMO energy level of the derivative than that of PCBM. A developed fullerene bisadduct was superior to PCBM when used in the BHJ cell, with a 30 % increase in Voc and a 16 % increase in conversion efficiency. And a developed fullerene monoadduct exhibited a higher Voc of 0.75 V in the BHJ cell.
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