(OSC)の発電メカニズムを明らかにしたと発表した。(研究当時)らの研究チームによるもの。軽量かつ柔軟、印刷プロセスによる大量生産が可能、室内光下でも変換効率が高いといった特徴から、次世代太陽電池として期待されており、発電効率の向上に向けた研究開発が世界中で進められている。その発電の仕組みとしては、p型とn型の両半導体のエネルギー準位差(オフセット)を駆動力として光電変換を行うということが考えらえている。従来型では、p型半導体に半導体ポリマーが、n型半導体にフラーレン誘導体が採用され、オフセットが0.3eV以上と高いことが課題となっており、近年、さらなる発電効率の向上に向け、n型半導体の材料をNFAとする研究が進められている。場合、オフセットが0.1eVほどで済み、高効率発電が可能であり、その結果、高い開放電圧と発電量を両立することができることとなるため、従来型を超える19%以上の光電変換効率も報告されるようになっているという。NFA型ではなぜオフセットが小さくても高効率なのかといった仕組みは良く分かっておらず、どのような材料開発を進めれば、さらなる効率改善につなげられるのかが不透明であったという。そこで研究チームは今回、NFA型の発電メカニズムの解明を進め、明確な材料設計指針の構築に取り組んだとする。今回の研究では、半導体ポリマーとして「PM6」、NFAに「Y6」という有機化合物を採用。この有機薄膜太陽電池は、オフセットが0.1eVほどで、光電変換効率は15%以上になることが知られており、現在、盛んに研究されている材料だという。(左)従来型の有機薄膜太陽電池の発電のイメージ。オフセットがないと、エネルギー準位の峠を越えられず、効率良く発電できない。(出所:京大プレスリリースPDF)PM6とY6のブレンド膜に生成された界面電荷移動状態(CT状態)が自由電荷に解離するまでに要する時間の計測が試みられたところ、10ピコ秒ほどであることが確認されたとする。従来型は0.1ピコ秒ほどであることが知られており、NFA型は100倍ほど遅いということになることから、その発電機構は、従来型とは異なることが示唆されることとなったとする。(左)従来の有機薄膜太陽電池では、オフセットが0.3eV程度と大きく、効率良く発電できなかった。(出所:京大プレスリリースPDF)そこで、Y6の基底状態褪色(GSB)スペクトルの時間変化の観測を行ったところ、同スペクトルのピーク波長は時間とともに長波長側へとシフトすることが判明。発電層はp型とn型の両半導体がナノメートルスケールで相分離した構造をしており、両半導体の相分離界面近傍では材料の結晶性が低下していることが知られていることから、これらの結果を踏まえ、PM6とY6のブレンド膜では結晶性の低い相分離界面で発生した電荷が、よりエネルギー的に安定な結晶性の高い領域を求めて移動することで発電していることが判明したという。(左)通常の過渡吸収信号。CT状態と自由電荷の見分けがつかない。電子と正孔の間の距離に依存するため、電荷解離が進行し、電子-正孔対間距離が大きくなるほど信号強度も大きくなる。材料として期待値が高い有望株を効率的にスクリーニングできることが考えられるともしている。(a)通常の電荷信号と過渡電場吸収信号の時間発展を比較したもの。CT状態が自由電荷に解離するまでに10ピコ秒程度かかったことを示している。(b)過渡電場吸収信号の時間発展をGSBのピークシフトと比較したもの。ニュースリリース(京大)※本記事は掲載時点の情報であり、最新のものとは異なる場合があります。京大など、NFAを用いた有機薄膜太陽電池の発電機構を解明このカテゴリーについて太陽光発電や風力発電、スマートエナジー、SiC、GaNなどの次世代エネルギー技術に関する話題をお届けします。Corporation。