成果報告書詳細
管理番号20140000000616
タイトル平成25年度成果報告書 最先端研究開発支援プログラム 低炭素社会に資する有機系太陽電池の開発 高効率有機薄膜太陽電池の作製
公開日2015/2/19
報告書年度2013 - 2013
委託先名東レ株式会社
プロジェクト番号P09026
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成25年度成果報告書 最先端研究開発支援プログラム 低炭素社会に資する有機系太陽電池の開発 高効率有機薄膜太陽電池の作製

1.有機半導体材料の開発
有機薄膜太陽電池の発電層を構成する基本材料である有機半導体材料について、ドナーポリマーを中心に開発を行い、バンドギャップ1.7eV未満、吸光係数15万cm-1以上、HOMOエネルギー準位-5.2eV以下という、変換効率10%を達成するために必要な光学物性を兼ね備えたドナーポリマーを合成できた。さらに改良検討を進めることで、有機薄膜太陽電池用ドナー材料として最適なバンドギャップ(Eg=1.58eV)と高い吸光係数(約20万cm-1)に加え、高いFETホール移動度(1×10-2cm2V-1s-1)を兼ね備えるPolymer-Xの合成に成功した。Polymer-Xをドナー、70PCBMをアクセプターとしたバルクヘテロ接合型太陽電池の設計と作製、評価を行った。典型的な素子構成を有するバルクヘテロ接合型太陽電池素子を作製、光起電力特性を評価し、シングルセルとしては世界最高レベルの変換効率10.6%を得ることに成功した。
2.基礎解析とデータベース構築
バルクヘテロ接合構造解析において有効な手法を見出すことを主眼として、各種分析手法(SIMS、RAMAN、TOF-Depth、固体NMR、GI-SAXS、STEM-ADF、IR、断面RAMAN、放射光X線回折、等)を試みた。その結果、1)固体NMRの緩和時間測定の結果、当社既存ドナーN-P7のバルクヘテロ接合ドメインサイズは数nm以上数10nm以下と見積もることができた。2)新規ドナーポリマーの赤外分光測定を実施したところ、分子面が基板にほぼ平行に配向していることが確認でき、赤外分光解析は分子配向性の解析に有効であることが示唆された。3)当社既存ドナー材料N-P7を用いたバルクヘテロ接合薄膜について、3次元TEMによりバルクヘテロ構造に由来する可能性がある明瞭な膜面方向ネットワーク構造を観察することに成功した。
(2)データベース構築:開発したドナー材料群について、基礎物性(バンドギャップ、HOMOレベル、モビリティー等)と、バルクヘテロ接合型型有機薄膜太陽電池の光起電力特性に関する豊富なデータを蓄積できた。
3.社外グループとの連携研究
(1)過渡吸収測定:ドナーポリマーの分子構造と光電変換素過程(励起子発生、電荷分離、電荷移動)との相関関係を調べるため、京大・伊藤教授チームと連携して当社既存ドナーポリマー(N-P7)の過渡吸収測定による基礎光物性解析を試みた。各光電変換素過程の収率は、励起子拡散:1、電荷分離:1、電荷解離:0.7、電荷回収:0.7-0.8と見積もられ、当社従来ドナー材料は主に後半の素過程が律速であることを明らかにした。
(2)高耐久化:P3HTドナー系素子において高い耐久性が得られる独自の素子技術を有するJX日鉱日石エネルギーと高効率化と高耐久化の両立に取り組み、Polymer-Xを用いたJX社高耐久構造素子において、初期効率8%が得られた。
英文要約Title: Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology / Development of organic photovoltaics toward a low-carbon society / Research and Development of Organic Thin-Film Solar Cells and their Organic Semiconductors (FY2013) Final Report

1. Development of organic semiconducting materials:
We have been developing organic semiconducting materials which constitute an active layer of organic thin-film solar cells. Our primary focus is on producing electron-donor materials. In order to draw up a guiding principle of donor materials for higher conversion efficiency, we have investigated various main-chain structures of donor polymers, basing on the quinoxaline-based donor polymer (N-P7) which have been developed by us and shows a conversion efficiency over 5%. Among these materials, Polymer-X in a solid state showed narrow band-gap of 1.58 eV and a high absorption coefficient of approximately 200,000 cm-1 together with a high field-effect transistor hole mobility of 1.0E-02 cm2/Vs. Organic solar cell properties of Polymer-X were investigated using 70PCBM as an electron acceptor in bulk heterojunction (BHJ) type devices with a structure of anti-reflection film / glass substrate / ITO / PEDOT:PSS / donor:acceptor / cathode buffer layer / metal cathode. The photovoltaic device having approximately 300 nm thick BHJ active layer showed a 10.6 % (Jsc = 21.7 mA/cm2, Voc = 0.762 V, FF = 0.641) of power conversion efficiency under an illumination of AM 1.5 G at 100 mW/cm2.
2. Structural analysis and construction of database towards the high efficiency solar cell:
The analysis was conducted in collaboration with Toray Research Center, Inc. A variety of techniques such as SIMS, RAMAN, TOF-Depth, solid NMR, GI-SAXS, STEM-ADF, IR, RAMAN, and X-ray diffraction were carried out to analyze the BHJ structures. The main results obtained by these analytical techniques are as follows: (1) The BHJ domain size of the N-P7 was estimated between several nanometers and tens of nanometers by analyzing the relaxation time of the solid NMR measurement. (2) For a new donor polymer prepared, it was found that the conjugated plane aligned perpendicular to the substrates. (3) By three-dimensional TEM, we observed a clear network structure coming from the bulk heterojunction structure composed of our donor polymer N-P7 with PCBM acceptor. In addition, for the newly developed donor polymers mentioned above, we have accumulated the data for bulk heterojunction (BHJ) type solar cells and basic properties such as band-gap, HOMO level, and FET mobility.
3. Collaboration with other groups:
To investigate the correlation between the donor polymer structures and the photovoltaic processes, we carried out transient photo-absorption measurements for the donor polymer N-P7 in collaboration with Prof. Ito group of Kyoto University. The efficiency of exiton diffusion (ED), charge transfer (CT), charge dissociation (CD), and charge collection (CC) is estimated to be ED = 1, CT = 1,CD = 0.7, and ED = 0.7~0.8, respectively.
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