成果報告書詳細
管理番号20140000000621
タイトル平成22-25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 光電変換の原理解明に基づく高効率有機薄膜太陽電池の開発
公開日2015/2/28
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人京都大学
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22-25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 光電変換の原理解明に基づく高効率有機薄膜太陽電池の開発」

[有機薄膜太陽電池の物性解析]
 本研究の目的は種々の分光学的手法を用いて有機薄膜太陽電池の光電変換メカニズムを解明し、高効率・高耐久素子の設計指針を提示することである。主な成果は以下のように要約される。

・高分子/フラーレン型太陽電池の電荷生成・再結合機構の解明
 狭バンドギャップ高分子PCPDTBT/PCBM型太陽電池ではヘテロ界面においてcharge transfer(CT)状態を形成することがわかった。CT状態は電流として取り出すことができないが、添加剤を用いることで7割程度のCT状態が解離し、自由電荷として回収できることがわかった。
次に非晶性狭バンドギャップ高分子N-P7 (東レ提供試料) を用いて、解離効率の決定因子について検討したところ、N-P7の比較的高い解離効率はCT状態における電子-正孔間距離が長いことに起因することを明らかにした。

・高分子/フラーレン型太陽電池の劣化機構の解明
 高分子/フラーレン型太陽電池の光劣化および熱劣化要因について検討した。試料には高分子/フラーレン型太陽電池のベンチマーク材料であるP3HTと先端材料JX-P (JX提供試料) を使用した。光劣化後の試料では励起子生成から電荷解離までの過程では目立った劣化が確認されなかったことから、光劣化の主要因は電荷回収過程であることがわかった。また熱劣化の主要因はPCBMの凝集による相分離構造の変化であることがわかった。

・高分子/高分子型太陽電池の開発
 電子ドナー性材料P3HTと電子アクセプター性材料PF12TBT (住友化学提供試料) からなる高分子/高分子型太陽電池の高効率化に取り組んだ。相分離構造の粗大化を抑制するため揮発性の高い溶媒を用いて製膜することで、当時の世界最高レベルであるPCE 2%を達成した。その後ナノ構造の最適化を行い、PCEは2.7%まで向上した。
次に吸収帯域を近赤外域まで拡張するため、狭バンドギャップ高分子PTQ1とN2200を用いて素子作製を行い、PCE 4.1%を達成した。

[増感色素を用いた高効率有機薄膜太陽電池の開発]
本研究の目的は増感色素を用い、増感色素と有機薄膜太陽電池をハイブリッドさせた高効率素子を開発することである。得られた成果は以下のように要約される。

・色素増感型有機薄膜太陽電池の開発
 P3HT/PCBM型太陽電池に第三成分として近赤外吸収色素を導入することで、近赤外色素増感型の有機薄膜太陽電池を開発した。また本手法を高分子/高分子型および有機-無機ハイブリッド型太陽電池にも適用し、同様に増感効果を示すことを世界で初めて実証した。
 次に、狭バンドギャップ高分子/PCBM型太陽電池に第三成分として可視域吸収色素を導入することで、可視域色素増感型の有機薄膜太陽電池を開発した。以上の研究成果から、高分子/フラーレン型太陽電池において可視域から近赤外域の幅広い波長域にわたり、色素を用いて簡便に増感する手法を確立した。

・高効率色素増感型有機薄膜太陽電池のための色素開発
 増感効果を向上させるため、近赤外増感色素SiPcの軸配位子を最適化した。その結果、色素の凝集を抑制するためにはn = 3以上のアルキル鎖長が必要なことがわかった。次に軸配位子にヘキシル基を有するSiPc6およびベンジル基を有するSiPcBzを合成した。その結果、官能基の種類によって色素の表面自由エネルギーが変化し、ブレンド膜内における色素の偏在位置を任意に制御できることを明らかにした。
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 / Development of Highly Efficient Organic Solar Cells Based on Photovoltaic Conversion Mechanism (FY2010-FY2013) Final Report

[Characterization of Polymer Solar Cells]
The aims of this project are to understand photon/electron conversion mechanisms by transient absorption spectroscopy, and provide a strategy for further improvement in the efficiency and stability of polymer solar cells. Key results are summarized as follows.

・Charge generation and recombination mechanisms in polymer solar cells
For amorphous polymers such as PCPDTBT and N-P7 (provided by Toray), we found that the geminate recombination of the CT state is the primary loss process and the bimolecular recombination is additional loss process in the thick device. For JX-P/ICBA blends (provided by JX), we found that the charge generation is in competition with the formation of polymer triplet state because of high CT state energy.

・Degradation mechanisms in polymer/fullerene solar cells
After the light irradiation, little change was observed in the photovoltaic conversion processes from the light absorption to the charge dissociation, suggesting that the origin of the degradation is attributable to the decrease in charge collection efficiency. After the thermal annealing, on the other hand, a clear decrease was observed in the efficiency of the exciton diffusion to the interface and charge collection to the electrodes. These degradations can be attributable to PCBM aggregation.

・Development of polymer/polymer blend solar cells
For P3HT/PF12TBT (provided by Sumitomo Chemical) blends, we found that thermal purification of nanoscale-phase-separated domains increases the free-carrier generation efficiency. For further improvement, we have employed low-bandgap polymers PTQ1 and N2200. As a result, we have obtained a PCE of 4.1%.

[Highly Efficient Dye-Sensitized Polymer Solar Cells]
We have developed highly efficient dye-sensitized polymer solar cells. Key results are summarized as follows.

・Development of dye-sensitized polymer solar cells
We have demonstrated the NIR dye sensitization to P3HT/PCBM solar cells by the introduction of phthalocyanine dyes as the third component. We have shown that this technique can be easily applied to polymer/polymer and organic/inorganic solar cells.
We also have demonstrated the dye sensitization in the visible region for low-bandgap polymer solar cells. In summary, we have developed the dye sensitization methods in both visible and NIR regions.

・Improvement of dye-sensitized polymer solar cells
We have newly synthesized several silicon phthalocyanine derivatives with different axial ligands CnH2n+1 (SiPcn) for highly efficient organic solar cells. Distinct dye sensitization effect was observed for n > 3. In particular, we found that the appropriate length of alkyl substituents in axial ligands to SiPc is 4 to 6. We also have synthesized three phthalocyanine dyes with different substituents, SiPc6, SiPcBz, and BuSiPc6. The location of these dyes depends on the surface energy of the materials employed.
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