成果報告書詳細
管理番号20160000000024
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 「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2016/5/24
報告書年度2010 - 2014
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
和文要約性能向上を目的とした材料開発研究では、企業グループと連携して、新規半導体材料と新構造素子技術の開発により、セル効率10%を達成した。また、機構解明研究では独自の固体NMRなどの手法を開発し、素子特性を評価することにより、薄膜構造と機構解明に成功した。特性の最適化研究では、新たな素子構造と評価手法を用い、1年以上の長期耐久性を実証した。
p型半導体材料開発では、ドナーアクセプターユニットのクロスカップリング法による、広範な交互共重合高分子材料の開発に成功した。まず、高性能化のための高開放電圧モデルとして、ナフトビスチアジアゾール(NTz)を鍵アクセプターユニットとする高性能D-A型ポリマーを開発し、単接合では世界トップクラスとなるセル変換効率10%を達成した。また、アモルファス性共役系高分子であるPCDTBTのベンゾチアジアゾールユニットにフッ素を導入することで、Voc値を向上することに成功した。平面型T字骨格を持つアクセプター分子を新たに設計し、新コンセプトに基づくπ共役ジャンクションを持つユニットを実現した。一方、高電流密度モデルとして、チエノキノジメタンやイソチアナフテンを主鎖に組み込んだ新規低バンドギャップ共役系高分子を開発し、紫外光領域から1000 nm程度の近赤外領域におよぶ広範囲な波長領域で光電流の発生を実現した。
n型半導体材料開発では、フラーレン誘導体PCBMを超える材料の開発が急務であるが、併行して半導体材料の高純度化による高性能化を実現した。新材料開発では、4種類の新たな骨格構造を有する各種フラーレン誘導体を調製するとともに、高純度化を実施し、素子特性に関する評価情報テーブルの作成とグループ内での共有化を図った。これらの化合物ライブラリーの中から、PCBMを20%以上上回る新材料の開発に成功した。
高効率化にむけた光電変換機構の解明研究では、バルクへテロ型有機薄膜太陽電池の活性層内での電荷発生及び構造情報を経時的に把えることの出来る手法を開発した。独自の固体NMR法を用いて、バルクヘテロ接合素子の相分離構造の観察を可能とし、高効率化の要因解明および材料の劣化解明に成功した。
素子特性の最適化については、グローブボックス中で測定可能な光ファイバー型分光感度測定装置を開発し、ライブラリーの迅速評価を可能とするとともに、多元セル作成に用いることの出来る、新規塗布型傾斜組成薄膜作成手法を開発した。信頼性の高い素子構造として金属酸化物バッファー層を導入した逆構造素子を開発、各種有機半導体材料を用いた一年以上の長期耐久性テストを実施し、界面の安定性が信頼性にとって重要な因子であることを明らかにした。
以上のような知見を企業メンバーと共有し、OPVコンソとしてのセル効率12%、及び、モジュール効率10%実現に貢献するとともに、有機薄膜太陽電池の広範な市場化を目指した、有機太陽電池研究コンソーシアムを設立し、用途展開に向け企業との情報共有化を図った。
英文要約To obtain higher performance in OPV cells, new semiconducting materials and device structures have been successfully developed, which can achieve high power conversion efficiencies up to 10%, in collaboration with the companies belongs to the OPV-consortium.In addition, we have succeeded in disclosing the film morphologies and the key factors for degradation of materials by establishing original methods with the use of solid state NMR. Durability tests have been carried out for more than one year, using the new device structures and evaluation methods.
Regarding to the development of p-type materials, we have designed and synthesized D-A type conjugated polymers showing high PCEs up to 10%. As to the V-model, designed for high Voc materials, new p-type materials using naphthobisthiadiazole unit (NTz) as a key acceptor unit have been successfully developed. Also newly designed acceptor unit of Soluble Electron-accepting T-shaped Unit (SaT) has been designed and synthesized as a crossed-pai-conjugated junction unit. In addition, new polymers having a fluorinated analogue of PCDTBT (i.e., PCDTBT-F) has been developed, showed higher Voc value than PCDTBT-based one. As to the J-model, novel low band-gap conjugated polymers with thienoquino-dimethane or isothianaphthene units in the backbone have been synthesized, which revealed a broad photoresponse range covering from UV to near infrared region up to 1000 nm.
Regarding to n-type materials, new derivatives of fullerene have been developed with various types of new skeltal structures. We conducted careful purifications of new PCBM analogues to achieve high performances, and successfully prepared a large chemical library of newly developed PCBM analogues, which supplied to the group companies. We also prepared novel skeletally-modified fullerenes as high Voc type materials, based on original synthetic methods.
To improve the performance of OPV, understanding of the structure/performance relationship is inevitable. The relationship between photoelectronic conversion characteristics and donor/acceptor structures was revealed by solid-state NMR and other methods. NMR experiments can also demonstrate that photovoltaic materials are degraded after durability tests based on Japanese Industrial Standards.
Device structure is one of the key factors to optimize the performance of OPV cells. We developed the reversed structured cells with various types of inorganic buffer layers between the active layer and electrodes. As to the electron transporting layer, we have developed the 1D-nano-rod metal oxide array, especially zinc oxide, as a suitable buffer layer to collect the charge generated in the active layer, efficiently. Surface modification of such 1D-metal oxide affects a lot on the device performance. Optimized devices with metal oxide hole transporting layer in reverse-structured cells have been successfully developed, showing long turm durability for more than one year.
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