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成果報告書詳細
管理番号20160000000810
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム 省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討(平成27年度第2回) ナノロッドテンプレートのロール張り合わせによる有機デバイスの創出
公開日2017/6/2
報告書年度2015 - 2016
委託先名国立大学法人金沢大学
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約現状のシリコン太陽電池と比較して有機太陽電池は、大型の真空製膜装置を用いずに印刷のような塗布法を使えるため、製造コストや製造エネルギーが1/10から1/100と劇的に低くなる。現在、半導体を混合する「バルクヘテロ構造」が高性能化をもたらすとして主流になっている。しかし、構造の構築には、分子自体の凝集性・相分離性を利用しており、人為的な制御は全くとられていない。そのため、再現性が悪く,実用化技術としては不向きである。この問題を解決するために、本委託業務では、ナノテンプレート膜と半導体ポリマー/金属膜を転写により張り合わせる。本提案の製造プロセスは、2030年に年間約54万kL(石油換算)の省エネができると試算している。本委託業務は製造プロセス省エネ化技術であり、革新的な省エネルギー技術の確立のために、可能性把握試験と技術動向調査(特許取得のための基礎データ取得と特許調査)と研究体制構築の検討を目的としている。

そのために以下を実施した。
(1) デバイス作製条件の検討
(2) 特許調査
(3) 学会等の情報収集

(1)デバイス作製条件の検討
【目的と目標】張り合わせ転写法は、ナノロッドテンプレートと有機/金属電極膜を別々に用意しておき、ナノロッドテンプレートに有機膜/金属電極膜を圧着(圧力を加えて張り合わせる)して転写し、理想的な相互貫入型構造をもつ太陽電池を作る。評価基準として、従来の塗布法と同等の変換効率を目指す(P3HT:PCBM系で3%、PTB7:PCBM系で7%、ペロブスカイト太陽電池系で8%:いずれも研究室平均値)。
【検討内容】
平成27年度:圧着装置としてLY 838 oca有機膜圧着装置を導入し、張り合わせ応用可能か検討した。ポリマーのガラス転移温度160℃付近にして膜を軟化させて張り合わせを試みたところ、全く接着が行われず、張り合わせできないことがわかった。原因を究明したところ、LY 838 oca有機膜圧着装置の温度表示と実際の温度の乖離が激しく、基板には最高で60℃の温度しかかけられないことがわかった。
平成28年度:昨年度の圧着方法では圧力が均一にかからない可能性があり、張り合わせの方法を圧力が均一になることを目的に、対面するような型で張り合わせて圧着する方法に変更した。ペロブスカイトナノロッドテンプレートで、P3HTの膜厚を200ー800 nmに変化させてデバイス作製したところ、400 nmの条件で、最大の太陽電池特性を発現することを確認した。

(2) 特許調査
【目的と目標】上記(1)と(2)の可能性把握試験で検討を行う技術の特許動向を調査する。調査は特許事務所に外注し、詳細な内容と特許情報の取得を行う。
【検討内容】調査条件は、使用データベース:HYPATi2で文献蓄積期間:平成28年3月22日までとした。有機層に電極フィルムを張り合わせる技術(有機太陽電池)に関連するものとしては、31件の特許文献があった。

(3) 学会等の情報収集
【目的と目標】2016年6月5日から6月10日にポートランド(アメリカ)で開催された太陽電池の国際会議 (43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference)に参加するとともに
マサチューセツ工科大学(MIT)の有機系太陽電池に関わる研究室を訪問する。
【検討内容】
新潟で開催されたISOME2016国際会議に参加した。この国際会議では、有機デバイス全般の討論が行われた。関連する分野では、リヨン大学のAriyarit氏による「Study and Characterize of Crystallization of Lead Halide Perovskite on Tin Oxide Layer」の講演で、酸化チタン上のペロブスカイト膜の科学的製膜メカニズムの検討が行われた。
英文要約Title: Strategic Innovation Program for Energy Conservation Technologies/ Research for the Important Technologies of Energy Efficiency Projects/ Nano-rod Sheet Binding Fabrication Process for Organic Electric Devices in Kanazawa University (FY2015-FY2016)

[Introduction]
From FY2015 to FY2016, we engaged in the investigation of 4 research topics to crate the new fabrication process for organic electric devices, which is done by Nano-rod Sheet Binding method. Here, we report the each research topics with [Targets and propose] and [Result and discussion] in each years.

Investigation of thermal and pressure binding fabrication method for organic solar cell
[Targets and propose] Our targets and purpose in this project are to bind a nano-rod sheet based on C60 or Perovskite nanoparticles and a polymer film spin-coated on Au electrode for organic solar cell fabrication. This unique fabrication process is promised as low-cost and saving energy fabrication process in future. Here, we try to fabricate high performance organic solar cell by our unique process from January 2016 to June 2016.
[Result and discussion]
Fy 2015: We purchased the LY 838 oca vacuum binding machine for binding the nano-rod sheet and the polymer/Au substrate. Sample are heated up to 200℃ and process is automatically process. Nano-rod sheets were fabricated by Solvent vapor anneals of C60 evaporation film and ionic liquid addiction in to perovskite solution for spin-coating method. We bound the nano-rod sheet and P3HT polymer/ Au electrode substrate at 160℃ in LY 838 oca vacuum binding machine. Device structure is Glass/ITO/TiOx/C60 or perovskite nano-rod sheet/P3HT/Au electrode/glass. Result was that nano-rod sheet and polymer/Au substrate was not bound because temperature was less than 60℃ in LY 838 oca vacuum binding machine. We could not obtain the solar cell performance due to low binding area on surface between nano-rod sheet and polymer/Au substrate. Therefore, we continued the investigation of thermal and pressure binding fabrication method for organic solar cell in Fy 2016, instead of the investigation of application the binding fabrication method on roll to roll system.
Fy 2016: We purchased the vacuum binding machine and attempted to fabricate the organic solar cell by pressure binding fabrication method. We investigated the effect of P3HT thickness, which are changed at 100, 200, 400, 800 nm. In case of thick P3HT, nanocrystals penetrate easily into P3HT film, however, generated carriers are difficult to reach to the each electrodes.
In case of perovskite nano-rod sheet, we succeed in fabrication of the solar cell by our pressure binding fabrication method in all condition. Especially, 400 nm thickness P3HT condition shows the highest efficiency, which is optimized thickness for pressure binding fabrication method.
In future work, we have to improve the solar cell efficiency for practical application. In our research work, vacuum binding machine is isolated from another film deposition machine and measuring machine. Therefore, C60 and perovskite nano-rod sheets were carried in air to set in vacuum binding machine. The C60 and perovskite nano-crystals are easily oxidized by oxygen in air atmosphere. This is a reason why we obtain poor solar cell efficiency. To improve the solar cell performance, we will attempt to introduce the system, which is connected all machine to avoid to exposure in the air.
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