成果報告書詳細
管理番号20140000000618
タイトル平成22年度-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)
公開日2015/3/31
報告書年度2010 - 2013
委託先名住友化学株式会社
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22年度-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」

 OPVの屋外暴露における耐久性試験をより短時間に実施可能な加速試験条件の確立および劣化機構の解析と長寿命素子の提案を目指して、以下の4つの項目を設定し、検討を行った。
1.屋外曝露劣化モードに応じた耐久性試験条件確立と加速係数の特定
 当社材料および市販材料について、屋外暴露試験および疑似太陽光の連続照射試験を実施してデータを比較した。屋外暴露試験の実時間対光電変換効率のプロットでは、1日の日射量変化や季節要因により変換効率が大きく変動し明確な劣化曲線を得ることが困難であったため、日射量と1SUN相当での日射時間を積算した「積算光量(kw時/m2)」に対して、1SUN相当の日射の際の効率変化をプロットすることで、明確な劣化曲線を得ることができた。これと、JIS C8938 A-5準拠の耐候性試験(1SUN相当光の連続照射、素子表面温度(ブラックパネル温度)65℃、湿度50%RH)での劣化曲線がほぼ一致することを見出した。この結果から、OPVの加速試験として耐候性試験が有効であることを確認し、実時間で1年相当の屋外暴露試験のデータを約1000時間の耐候性試験で得られることから、加速係数を10倍と算出した。 また、この耐候性試験の温度および光量の条件を変えた加速条件を検討した。温度を65℃から85℃に20℃上昇させた条件では加速係数がさらに2倍、光量を1SUNから2SUNに増加させることでも加速係数がさらに2倍になることを確認し、それらを合わせた条件(2SUN、85℃)で屋外暴露試験の40倍加速となる(約250時間の試験で約1年相当の屋外暴露試験のデータが得られる)ことを確認した。
 さらに、KASTとの共同研究から、太陽光スペクトルを厳密に再現したソーラーシミュレータを用いなくとも、特定の波長域の光で1SUN相当の耐久性試験のデータが得られる可能性を見出した。
2.劣化機構の解明による耐久性向上の指針確立と素子構成材料、周辺部材、製膜条件の最適化
 屋外暴露試験や加速条件の耐久性試験を用いて、OPVの劣化機構の解明と耐久性向上を検討した。劣化前後の素子の吸収スペクトルに変化が見られないが、光電変換特性が著しく低下していることから、光や熱により光電変換層が劣化するのではなく、熱や光により素子中の水分等が分解され、生じた酸素イオン(スーパーオキサイドアニオン)等により電極やバッファー層などの周辺材料および/またはそれらの界面が劣化すると考えた。この仮説に基づき、光酸化の原因となるUV光を遮断するカットフィルタの装着や、耐熱性が高く、かつ生じた酸素イオンを吸着し、活性層への拡散を抑制する効果のある無機酸化物バッファー層と、酸化に対して比較的安定性の高い銀電極を用いることにより、光・熱に対する耐久性が大幅に向上することを見出した。
 また、湿度の影響は、水分吸収材と封止構造の改良により、ほぼ無視できるレベルまで低減できることを確認した。
3.1と2を活用した高耐久性素子構造の提案による5年以上の寿命の実現
 2の劣化解析と耐久性向上の検討から、素子構造としてUVカットフィルタ、新規バッファー層(電子輸送層)、銀電極、および水分吸収材を封入した改良素子により、JIS C8938 A-5準拠の耐候性試験において5000時間の寿命(効率保持率80%以上)を達成した。これと1で得られた屋外暴露試験に対する加速係数を考慮することにより、屋外暴露試験で5年以上の耐久性を確認することができた。
4.耐久性試験の基準条件の提案
 これまでの検討から、水分による劣化を無視できる封止レベル(JIS規格の耐湿性試験と耐熱性試験での劣化挙動に差が見られない)にあることを前提条件として、屋外暴露試験の加速試験の耐久性試験条件としては、JIS C8938 A-5準拠の耐候性試験条件が基準条件となり得る。
英文要約The purpose of this project (Development of Organic Photovoltaics toward a Low-Carbon Society, Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology) is to accelerate the practical application of organic solar cells and winning the global market. In order to achieve them, it is indispensable to develop solar cells with high efficiency and stability.
In this project, we (Sumitomo Chemical) conducted fundamental analysis of degradation mechanisms and proposed strategies to improve the stability of organic thin-film solar cell (OPV) based on the analysis in order to establish methodologies for efficient and reliable acceleration tests which enable us to estimate the lifetime of OPV. Throughout these approaches, we achieved our targets as follows;
(1)Establishment of the acceleration test conditions that reflect the same degradation manner as outdoor exposure test, and to estimate the acceleration factors
(2)Elucidation of the degradation mechanism of OPV and establishment of the guidelines for the stability improvement (optimization of electrodes, peripheral materials, and fabrication processes)
(3)Suggestion of the device structure of OPV that is durable more than 5 years based on the results of (1) and (2)
(4) Suggestion of the standard conditions for stability tests.
As For (1), we found that the degradation curve of the light soaking test for 1.5month (1,000hrs) is almost the same as that of 1 year (10,000hrs) of the outdoor exposure test, which enables us to estimate the acceleration factor by 10 by using our original material (polymer A). By increasing temperature and light intensity on the test, we found the acceleration factor also increase up to 40. The oven (heat) test and dump heat test were confirmed to be useful to check the encapsulation of the device before starting the light soaking test. We also studied general versatilities of this acceleration test and acceleration factor by using commercially available materials (P3HT and PTB7) and our novel material polymer B and confirmed these materials show similar degradation profile as that of polymer A.
Furthermore, by conducting the light soaking test with short wavelength (400-600nm), we discovered the degradation curve is similar to that of the 1SUN, which could be a promising method to for acceleration test since it is simple and low cost.
For (2), we investigated the degradation factor such as water (humidity), heat, light and oxygen individually. It was found that water causing the degradation come from the environmental moisture. We overcame this issue by applying good encapsulation which confines the device elements inside the sealed area, and moisture absorbing film. By conducting heat test, we found that the Tg of polymer is one of the potential factor of degradation, and buffer layers and electrodes (or interface between layers) are keys of the degradation. The high Tg polymer and inorganic metal oxide buffer layer combined with stable metal Ag improved device stability on heat test drastically. The degradation by the light seemed to be taken place not in the active layer itself but interface between layers due to radical oxygen generated by photolysis of water confined inside the device. Based on this hypothesis, we applied UV cut filter (film) to avoid photolysis combined with buffer layer which absorb the radical oxygen and stable Ag electrode.
From the results of (1) and (2), the most stable device so far is following configuration.
This is the answer for (3).
As described in (1), the light soaking test must be the standard condition for the acceleration test. Comparison of degradation curve of heat test and dump heat test should be conducted in order to confirm the encapsulation beforehand.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る