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成果報告書詳細
管理番号20180000000037
タイトル平成25年度ー平成29年度成果報告書 次世代材料評価基盤技術開発 研究開発項目(2)有機薄膜太陽電池材料の評価基盤技術開発
公開日2018/6/26
報告書年度2013 - 2017
委託先名次世代化学材料評価技術研究組合
プロジェクト番号P10029
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成25年度ー平成29年度成果報告書 「次世代材料評価基盤技術開発/研究開発項目(2)有機薄膜太陽電池材料の評価基盤技術開発」
 
 本プロジェクトを実施し、有機薄膜太陽電池およびペロブスカイト太陽電池材料に関し、材料メーカーおよびその材料を使って製品化を行うユーザーの双方が活用できる、基準素子構成及び作製方法、性能評価方法、寿命評価等材料評価手法、材料の基礎物性評価方法、システム設計手法を確立する事ができた。
1.有機薄膜太陽電池材料評価技術の開発
 バルクヘテロ素子7種(B1ーB7)とペロブスカイト素子5種(P1ーP5)のガラス基板基準素子を開発した。最高効率はバルクヘテロ素子で10%、ペロブスカイト素子で15%が得られた。これらの素子は、組合企業から提供されたイチシャチブ材料を利用したB5ーB7を除き、市販されており容易に入手可能な材料を用いて再現良く作製する事ができる。また、特徴ある基準素子として、バルクヘテロ素子では透明太陽電池素子、ペロブスカイト素子では、高温での光安定性の良好な素子が得られた。これらの基準素子を用いて耐久性試験や実使用環境での評価検討を行い、ロールプロセスを見据えて、低温塗布プロセスによるフレキシブル素子の検討を行った。また、バルクヘテロ素子の各種バリア膜を組み合わせた有機太陽電池の耐久性の評価検討を行い、WVTRが10^-3g/m^2/day、OTRが10^-2cc/m^2/day/atom程度のOLEDに用いられるものよりも低い性能のバリア膜封止でも良好な耐久性が得られ、バルクヘテロ太陽電池モジュールの設計指針が得られた。一方、ペロブスカイト素子ではガラス封止が必須であるが、太陽電池として最も重要な光と熱(>70℃)での劣化は、素子構成により大幅に改良できた。鉛の毒性を回避するための非鉛系(スズ、ビスマス化合物)太陽電池材料を検討し、可能性を示した。
2.使用環境別試験方法の検討
 マルチサン照射を利用したガラス基板での加速試験とフレキシブル封止評価を組み合わせて、フレキシブル基板基準素子の加速寿命評価方法を開発した。これにより数十倍の加速係数を利用して短時間で寿命を推定する事が可能である。
 バルクヘテロ素子の実使用環境として、農業分野、エネルギーハーベスト分野、車載分野への適用可能性を調査し、可視領域で透明な素子や低照度(屋内光)で利用される素子が有望である事が示された。
 屋内用途素子の評価法として屋内照明による効率評価法を検討し、その結果を利用してJEITA規格(ET-9101)が作成され刊行された。
3.基礎物性評価技術の開発
 電子分光法(UPS及びIPES法)を用いたエネルギー準位(HOMO、LUMO準位)の評価技術を確立した。活性層、バッファ層、電極及びその構成材料のデータを蓄積し、性能やプロセスの解析に利用できるようになった。また、過渡吸収や発光スペクトル、ESR、X線回折などの基礎物性解析により、構造と特性の相関が明らかになった。
4.外部発表(特許、論文、学会)と成果の今後の活用
 得られた成果を基に10件の特許を出願し、そのうち1件をPCT出願した。学会発表は39件行い、8件の論文を投稿した。シンポジウムを5件開催し、プレスリリースを1回行った。これらの成果を、Open-Close戦略に基づき、成果報告書、評価基準書、作成手順書、システム設計指針としてまとめた。
英文要約Title : Development of basic evaluation technologies for future generation materials / R&D items [2] Development of basic evaluation technologies for materials used in the fabrication of organic thin film photovoltaic devices(FY2013-FY2017 Final Report)
 
 We have developed 7 types of bulk hetero junction cells (B1 to B7, PCE:approx.10%) and 5 kinds of perovskite cells (P1 to P5, PCE:approx.15%) on glass substrate as reference cells. These reference cells can be reproducibly fabricated with readily available materials. We obtained two significant devices, a semi-transparent bulk heterojunction photovoltaic cell and a perovskite cell with good light stability at high temperature. We conducted various evaluations such as performance and durability tests in laboratory and in actual use environment using these reference cells. We also investigated fabrication of flexible cells by coating process at low temperature. In addition, we evaluated the durability of bulk heterojunction cells combining various barrier films and found that they showed good durability with relatively low barrier properties compared with OLED devices. Thus, design guidelines for designing bulk heterojunction modules were obtained. Stability under 1 Sun illumination light at high temperature (>70°C) was demonstrated to be greatly improved with P5. We examined photovoltaic devices with Sn, Bi compounds to avoid lead toxicity and showed their possibilities as solar cell materials.
 We developed a short-time lifetime evaluation method combining multi-sun irradiation test for glass device and dump heat test for flexible device. Thus, it is possible to estimate the lifetime with an acceleration factor of several tens of times. As the possible actual applications of the bulk heterojunction cells, agriculture, energy harvesting, and automobile were investigated. Thus, two special types of OPV are shown to be promising, one is a semi-transparent OPV and the other is one for indoor use. An efficiency evaluation method by indoor lighting was investigated and JEITA standard (ET-9101) was created by using the result and published.
 Evaluation technology of energy levels (HOMO, LUMO level) using electron spectroscopy was established. Energy level data of the active layer, buffer layer, electrode and constituent materials have been measured and accumulated. In addition, correlation between structure and characteristics was studied by basic physical property analysis such as transient absorption and emission, ESR, X-ray diffraction, etc.
 We applied for 10 patents, one of which was filed in PCT. There were 39 presentations in scientific conferences and 8 papers were submitted. These results are summarized as documents, based on the Open-Close strategy.
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