2013/11/12 Category : 未選択 東北大、有機薄膜太陽電池の電荷損失を防ぐ要因を理論的に解明 有機薄膜太陽電池の電荷損失を防ぐ要因を理論的に解明 －光電変換効率の向上へ大きな進展－ 東北大学・原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）の田村宏之助教はドイツ・ゲーテ大学と共同で、有機薄膜太陽電池において有機半導体の結晶性が高いと光エネルギーで励起した電荷が高速移動し損失が抑制される事を計算機シミュレーションによって解明しました。 有機薄膜太陽電池は、現在太陽電池の一般的な材料であるシリコンを用いた場合に比べて、製造コストが低いだけでなく軽さや柔軟性もあわせ持つため、貼り付 け式やウェアラブルな用途など様々な応用が期待されています。太陽電池は通常２つの半導体が接合してできており、光エネルギーを吸収してできた正の電荷 （正孔）と負の電荷（電子）の結合が、半導体の接合界面で分離してフリーの電荷が移動することで電流が流れます。しかし、有機分子のような誘電率の低い材 料を半導体として用いる有機薄膜太陽電池では、界面での静電引力の影響が大きく結合した電荷が分離しにくいため、現時点の光電変換効率注１）が最高でも １０％程度と、シリコン太陽電池の２０％程度と比べ変換効率が小さいことが課題となっています。変換効率の向上のために、有機半導体の界面で静電引力の障 壁に打ち勝ってフリー電荷が生成するメカニズムの解明が求められていました。 本研究グループは、量子力学に基づいた計算機シミュレーションで、 有機薄膜太陽電池における光エネルギーを吸収した電子のダイナミックスを解析しました。その結果、有機半導体の接合界面では、分子の結晶性が高くなるにつ れて静電引力の障壁が下がるため、光励起エネルギーが熱として失われる前に電荷が分離しやすくなり、フリー電荷が生成することを明らかにしました。 本研究のような計算機シミュレーションは、光電変換機構の理解を助け、より変換効率の高い太陽電池の材料をデザインする際に、有力な手段になっていくことが期待されます。 本研究成果は、１１月６日に米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。 【研究の背景】 有機薄膜太陽電池はシリコン太陽電池と比べ製造時に消費する電力が少ないため、エネルギー変換効率が向上できればエネルギーペイバックタイム注２）を短く することが可能です。しかし、現時点の変換効率は１０％程度と、シリコンの２０％程度と比べ小さい値に留まります。図１のように有機薄膜太陽電池では、導 電性高分子注３）などのドナーと呼ばれる分子が光エネルギーを吸収し励起子注４）と呼ばれる高エネルギー状態をつくります。この励起子からアクセプターと 呼ばれるフラーレン注５）分子に高エネルギー電子が移動し、ドナー分子にはプラス電荷を持った正孔注６）が残されます。この電子と正孔が電極へ輸送される ことで電流が流れます。世界中の研究グループが変換効率の向上を目指して材料やデバイスの改良に取り組んでいますが、光電変換のメカニズムに未解明な部分 が多いのが現状です。 有機分子のような誘電率注７）が低い材料では、電子と正孔が静電引力でドナーとアクセプターの接合界面にトラップされ易い 傾向があります。界面にトラップされた電子－正孔ペアが再結合して光を吸収する前の安定状態に落ちてしまうと、フリー電荷の生成が妨げられます。つまり、 界面での電子－正孔のダイナミックスは光電変換効率を決定する重要なステップと考えられます。導電性高分子とフラーレンから作られた有機薄膜太陽電池の時 間分解分光による実験では、条件によっては１０兆分の１秒という超高速なフリー電荷の生成が観察されます。しかし、静電引力に打ち勝ってフリー電荷が生成 するメカニズムはこれまで未解明でした。 【研究の内容】 本研究では、有機薄膜太陽電池のドナー／アクセプター界面で、光エネルギーを吸収した励起子が電子と正孔に分離しフリー電荷が生成するダイナミックスを量子力学注８）に基づいた計算機シミュレーションで解析しました。 先ず、導電性高分子とフラーレンから成るドナー／アクセプター界面の凝集構造が電子－正孔分離の静電障壁に与える影響を調べました。その結果、フラーレン の結晶性が高い界面では構造の乱れた界面より電子が多分子に拡がることで静電障壁が下がることが分かりました。結晶性の高い界面をモデル化したシミュレー ションでは１０兆分の１秒という超高速でフリー電荷が生成し、構造の乱れた界面よりもフリー電荷の収率が遥かに向上します。また、光励起エネルギーが熱と して失われる前に電子－正孔が静電障壁を超えて分離する「ホット励起子機構」がフリー電荷の生成を促進していることを明らかにしました。 光を吸 収した高エネルギー電子がドナー分子に在る場合とアクセプター分子に在る場合のポテンシャル差はバンドオフセットと呼ばれます（図１右）。ドナーからアク セプターへ電子が移動するためにはバンドオフセットはある程度大きい必要があります。一方、有機薄膜太陽電池の光電変換効率を高めるためには、太陽光の長 波長成分（低エネルギー成分）を効率的に吸収することと出力電圧を高めるという要件を同時に満たす必要があります。この観点からはバンドオフセットは最小 限の大きさが望ましいと考えられます。本研究の結果は、界面の結晶性を高めて電子－正孔分離の静電障壁を下げることによって、最小限のバンドオフセットで フリー電荷が効率的に生成することを示しています。 【今後の展開】 本研究では有機薄膜太陽電池で重要な役割を果たす２つの効果を明らかにしました。 １）ドナー／アクセプター界面の結晶性が高い部分では電荷が多分子に拡がり易く、このため電子－正孔分離の静電障壁が下がる。 ２）光エネルギーが熱として失われる前にフリー電荷が生成する（ホット励起子機構）。 本研究で解明された効果は、様々な光電変換系で成り立つと考えられます。本研究のような計算機シミュレーションは、実際の有機薄膜太陽電池では観測が難しい光電変換機構の理解を助け、太陽電池の材料をデザインする際の有力な手段になっていくことが期待されます。 PR Comment0 Comment Comment Form お名前name タイトルtitle メールアドレスmail address URLurl コメントcomment パスワードpassword
