成果報告書詳細
管理番号20160000000050
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(低分子系有機薄膜太陽電池モジュールの研究開発)」
公開日2016/5/20
報告書年度2010 - 2014
委託先名出光興産株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約本研究では、目標とするセル効率12%以上、モジュール効率10%以上、相対効率低下10%以内を達成するためのp材料開発を主眼とし、材料合成、タンデム化技術、発電機構の解明、モジュール開発、耐久性の評価など幅広く取り組んだ。
材料探索は、蒸着型材料の探索を行い、効率5%級の材料を3種見出し、NPV-03を用いたシングルセルの混合層を基板温度50℃で成膜することで、6.5%%以上の効率を得た。そこでNPV-03の活用及び有機ELのタンデム技術を応用して、タンデムセルを作製した。ポイントは中間層であり、キャリアのロスなく2つのセルを接合し光学設計によって自由に膜厚を調整できることがかわった。その結果、長波長材料に住友化学の塗布材料ポリマーAを用いたハイブリッドタンデムセルにおいて8.2%を達成し中間目標を達成した。また、蒸着材料を用いて、20cm角のモジュールを作製し、検討したセルとの特性の差を調べた。セル構成は蒸着のタンデムである。予め、シミュレーションでモジュール構造を最適化し、大面積を均一に成膜することで、セルと比較してモジュール化したときの効率低下を10%以下に抑制することができた。
一方、発電機構を調べるための基礎検討も実施した。ケルビン法と電子分光を用いて、標準デバイス(CuPc/C60/BCP)の電子構造を決定した。その結果、C60/BCP界面にギャップ準位が存在することがわかった。これまで、バッファ層として用いると電子障壁が存在するはずのBCPが、効率よく電子を取り出すことができる理由が不明であったが、この準位が電子輸送に介在することで電子の取出し効率が向上したことが判明した。
中間評価後は、更なる高効率、低コスト化を狙って、塗布型p材料の開発に重点を移した。素子構成は同じくタンデムとしポリマーAを長波長材料として用いることで、塗布型中間層の開発と600nm以下に吸収のピークを持つ短波長材料の開発を実施した。その結果、塗布型p材料については、分子設計手法を確立しシングルセルで7?8%の材料を5種類開発した。いずれも、開放端電圧が0.85V以上と高電圧であり、吸収波長域が狭いにもかかわらず高効率を達成した。特に、NPV-26は昼白色LEDを光源とした場合、効率18%と非常に高い効率を示し、太陽光のみならず、室内光用電源として有望である。
これらの材料が高い効率を示す本質を調べるため、放射光を用いたX線回折(GI-WAXS)でp材料NPV-14分子の配向性を調べると共に、走査型TEMと元素マッピングを組み合わせてp/nのモルフォロジーを観察した。GI-WAXSによる構造解析では、単膜、n材料との混合膜の両者とも、NPV-14分子は基板と平行に配向し、分子間のπ軌道の重なりが促進され基板と垂直方向の正孔の移動に有利であることが示された。また、走査型TEM観察では、混合層に添加したDIOの役割と問題点が明確になった。即ち、DIOを添加した混合層では、p/nの相分離構造がより鮮明にかつ細かく形成される為、電荷分離が促進し効率が向上していると推察した。さらに混合膜をアニールすると、相分離構造が壊れることが判明した。このことから、DIO添加膜は、耐熱性に劣るという問題点を抽出できた。
最後に、セルの耐久性を評価した。JIS規格C8938に基づき、評価を実施した。有機EL素子の封止技術を応用した結果、85℃耐熱試験、85℃、相対湿度85%下での耐湿試験、連続光照射試験、温度サイクル試験、温湿度サイクル試験のいずれも相対効率低下10%以下を実現することができた。
英文要約First we developed vacuum deposition type materials for organic photovoltaic (OPV), and obtained 3 kinds of material with a efficiency of over 5%. The single cell with NPV-03 active layer deposited at a substrate temperature of 50℃ showed a high efficiency of 6.5 %. Then, tandem cells were fabricated with NPV-03. The key is an intermediate electrode. It enabled to join two cells without carrier loss and the thickness could be changed to adjust to optical length. Consequently, we achieved the midterm target of 8.2% with hybrid tandem cells using “Polymer A” of Sumitomo Chemical, that absorbs the long wavelength. And then, a module with a size of 20cm square was fabricated by vacuum deposition in a tandem structure. In advance, the module structure was optimized by numerical simulation, and the uniformity of thickness was improved over the area. We confirmed that the reduction of efficiency could suppress less than 10% compared with a 2mm square cell.
We also conducted fundamental studies of OPVs. Using Kelvin method and electron spectroscopy, the electronic structure of the standard device (CuPc/C60/BCP) was carefully studied, to be found the energy levels in the energy gap at a C60 / BCP interface. We have found that electrons can transport through the mid-gap levels to an electrode despite of a high energy barrier.
Next, materials for solution processes were developed to achieve a further high efficiency. From the result of the previous section, we addressed the following issues to realize the high performance tandem with Polymer A. The first was an intermediate electrode for solution processes and the second was coating p-type materials having short wavelength light absorption. As the result, we realized five materials with from 7 to 8%. Despite of narrow absorption range, they showed high efficiencies. In addition, NPV-26 showed the highest efficiency of 18% under irradiation of a daylight white LED.
To investigate the high efficiency of NPV-14, we studied the molecular orientation by X-ray diffraction using synchrotron radiation (GI-WAXS) and the morphologies of p/n mixed film added to DIO by a combination method of scanning TEM and elemental mapping. The GI-WAXS clarified the molecules were oriented parallel to the substrate. This could improve hole-transportation along the vertical direction to the substrate. In addition, in the scanning TEM observation, the mixed layer with DIO was found that phase separation was formed more clearly and finely. This suggests that the increase of p/n interface area caused to enhance charge separation to improve the efficiency. After annealing the mixed film, it was found that the phase separation was broken. From this fact, DIO added films have a poor heat resistance.
Finally, we evaluated the durability of the cells based on the JIS standard C8938. By application of sealing techniques of the organic EL device, we obtained good results of relative inefficiency of less than 10 % , in all of the tests.
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