研究成果

有機薄膜太陽電池で飛躍的なエネルギー変換効率の向上が可能に -新材料開発で光エネルギー損失低減に成功-


2015年12月03日


     大北英生 工学研究科准教授と尾坂格 理化学研究所創発物性科学研究センター上級研究員、瀧宮和男 同グループディレクターらの共同研究チームは、新しく開発した半導体ポリマーを用いることで、有機薄膜太陽電池(OPV)の光エネルギー損失)を無機太陽電池と同程度まで低減することに成功しました。

     本研究成果は、2015年12月2日(日本時間)に英国のオンライン科学誌「Nature Communications」に公開されました。

    研究者からのコメント

     本研究により、OPVの本質的な問題点であった光エネルギー損失を大幅に低減することに成功しました。今後、これらの知見を基に新材料の開発やOPVに改良を加えることで、エネルギー変換効率の飛躍的な向上が期待されます。PNOz4Tの性質を最大限引き出すことができれば、実用化レベルのエネルギー変換効率15%も実現可能です。研究チームは、まず2016年度中での12%達成を目指します。

    本研究成果のポイント

    • 塗布型有機薄膜太陽電池(塗布型OPV)の実用化には変換効率の向上が課題
    • 新しい半導体ポリマーの開発により、塗布型OPVの光エネルギー損失が無機太陽電池と同程度まで低減に成功
    • 塗布型OPVの高効率化の起爆剤になると期待

    概要

     OPVは半導体ポリマーをプラスチック基板に塗って薄膜化することで作製できるため、コストや環境負荷を抑えることができます。また、大面積化が容易であるうえに、軽量で柔軟という現在普及している無機太陽電池にはない特長を持つ次世代太陽電池として注目されています。OPVの実用化にはエネルギー変換効率(太陽光エネルギーを電力に変換する効率)の向上が最重要課題です。しかし、一般的にOPVは光エネルギー損失が0.7eVから1.0eVと無機太陽電池(0.5eV以下)に比べて大きいため、吸収できる太陽光エネルギー(バンドギャップ)に対して出力できる電圧が無機太陽電池に比べて小さく、高効率化の妨げになっていました。

     そこで本研究チームは、新しく開発した半導体ポリマー「PNOz4T」を用いることで、OPVの光エネルギー損失を無機太陽電池並みの約0.5eVまで低減しました。加えて、エネルギー変換効率も最大で9%とOPVとしては非常に高い値を示しました。これほど光エネルギー損失が小さいうえに、高いエネルギー変換効率を示すOPVはこれまでに報告がありません。また、PNOz4Tの薄膜を分光法により詳細に解析したところ、薄膜を改善することで、エネルギー変換効率がさらに向上する余地があることが分かりました。

    OPVの光エネルギー損失とエネルギー変換効率の関係
    従来のOPVの多くは光エネルギー損失が0.7eV以上と高い。光エネルギー損失が小さくなるに連れ、エネルギー変換効率は減少傾向にあるが、その中でPNOz4T素子は特異的にエネルギー変換効率が高い(ピンク色の領域は光エネルギー損失が無機太陽電池と同程度に小さいことを示す)。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    [DOI] http://dx.doi.org/10.1038/ncomms10085
    [KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/202081

    Kazuaki Kawashima Yasunari Tamai Hideo Ohkita Itaru Osaka & Kazuo Takimiya
    "High-efficiency polymer solar cells with small photon energy loss"
    Nature Communications 6, Article number: 10085, Published 02 December 2015

     

    • 日刊工業新聞(12月8日 24面)に掲載されました。

    有機薄膜太陽電池で飛躍的なエネルギー変換効率の向上が可能に -新材料開発で光エネルギー損失低減に成功-
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