塗って作れる太陽電池の 半導体ポリマー開発 理化学研究所 創発物性科学研究センター 上級研究員 尾坂格 1 従来の太陽電池 http://kansaidenka.co.jp シリコン等の無機半導体を発電層として利用 固い、重い、高コスト 2 有機薄膜太陽電池 米Konarka社 東大 染谷G 有機半導体（色素、ポリマー）を発電層として利用 薄い、軽い、フレキシブル、シースルー、カラフル 3 有機薄膜太陽電池の製造方法 popupcity.net 有機半導体インク（溶液）を塗布することで薄膜を形成 プラスチック基板に作製可能 低温・低環境負荷プロセス、大面積化が容易、低コスト 4 有機薄膜太陽電池の用途例 米Konarka社 産総研 軽量建物、ビニールハウス、窓、 垂直面、曲面、インテリア、 ウェアラブルデバイス、etc 米Konarka社 6 有機薄膜太陽電池の課題 • エネルギー変換効率と信頼性（耐久性）の向 上が必要。 • エネルギー変換効率のベンチマークは約11%。 シリコン太陽電池の約半分。 • 材料の開発が急務。高効率、高耐久な材料 がない。 7 理化学研究所（当グループ）の これまでの研究 • 有機合成化学をベースに、有機半導体材料 （半導体ポリマー）を多数開発。 • 開発した有機半導体を有機薄膜トランジスタ や有機薄膜太陽電池に応用 当グループで開発した代表的な半導体ポリマーの分子構造 N R S S S S R S S N R R S S S n N S N S n S N N S S R S S N N S S n R 8 当グループの成果①-1 N R S S N S S N S N R N S S n ホール輸送層 正極 S R N 5 100 0 80 -5 -10 -15 -20 -25 -0.2 0.2 N n R 0.4 0.6 0.8 Voltage (V) 1 60 40 20 PNTz4T PNOz4T 0 O S PNO4T EQE (%) 光活性層 半導体ポリマー + フラーレン誘導体 Current density (mAcm–2) 電子輸送層 N S PNTz4T 負極 O 1.2 0 300 400 500 600 700 Wavelength (nm) 800 ポリマー 短絡電流密度 (mA/cm2) 開放電圧 (V) フィルファクター 変換効率 (%) PNOz4T 14.5 0.96 0.64 8.9 PNTz4T 19.5 0.71 0.73 10.1 900 9 当グループの成果①-2 eVOC (eV) 1.2 1 12 Inorganic Perovskite DSSC Organic (Small molecule) Organic (Polymer) PNTz4T PNOz4T 10 8 PCE (%) 1.4 0.8 6 4 0.6 2 0.4 1 1.2 1.4 1.6 Eg (eV) 1.8 2 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Eg – eVOC (Eloss) (eV) 1.1 1.2 • 光エネルギー損失（Eloss = Eg – eVOC）の低減に成功 • 有機薄膜太陽電池は光エネルギー損失が大きいことが変換効率 向上の妨げとなっている。 10 当グループの成果①-3 (a) 一般的なOPV (b) PNOz4T素子 駆動力となるエネルギー差なし ② 励起状態 電荷移動状態 バンドギャップ ① 駆動力による エネルギー損失 他の要因による エネルギー損失 励起状態 光エネルギー損失 （0.7 1.0 eV） 電圧として出力される エネルギー 電圧として出力される エネルギー 基底状態 電荷移動状態 基底状態 11 当グループの成果②-1 R R S S N N S S N S S N N S S R R S R2 N PTzBT S R1 R2 S S n N N S S S N S S n R1 N 負極 電子輸送層 光活性層 半導体ポリマー + フラーレン誘導体 ホール輸送層 正極 Current density (mA cm–2) 0 N S S S N S n R PNTz4T 高電流、高電圧で効率アップ？ 変換効率~9% 5 S N 新ポリマー：PTzNTz 変換効率~7.5%（高電圧） N R 変換効率~10%（高電流） PTzNTz PNTz4T PTzBT -5 -10 -15 -20 -25 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Voltage (V) 0.8 1 12 当グループの成果②-2 新ポリマー：PTzNTz素子は、変換効率は9%と最高値 には届かなかったが、耐久性（耐熱性）が大幅に改善。 変換効率（規格化） 試験条件：グローブボックス中、遮光化にて85℃で保存 1 0.8 0.6 0.4 PTzNTz PTzBT PNTz4T 0.2 0 0 100 200 300 400 時間 (h) 500 600 13 企業への期待 • 開発した半導体ポリマーを用いて、製品化に 向けた開発を行ってくれる企業との連携・共同 研究を希望。 • 半導体ポリマーの新たな用途展開を行える企 業との連携・共同研究を希望。 15 お問い合わせ先 科学技術振興機構 環境エネルギー研究開発推進部 ＴＥＬ ０３－３５１２ － ３５４３ ＦＡＸ ０３－３５１２ － ３５３３ e-mail alca＠jst.go.jp 16
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