ナノ構造制御によるポリマー薄膜太陽電池の高効率化
半導体ブロックコポリマーなどの精密合成技術によって、有機薄膜中のナノスケールの構造を自己組織化によって制御し、太陽光エネルギー変換効率と構造安定性を大幅に向上させる技術です。低コスト有機薄膜太陽電池の応用に向けて重要になると考えられます。
| 研究機関・所属 | 東京大学 大学院工学系研究科 |
|---|---|
| 氏名・職名 | 但馬 敬介 准教授 |
| 研究テーマ名 | ナノ構造制御によるポリマー薄膜太陽電池の高効率化 |
| 応用想定分野 | 壁面向け太陽電池 |
技術紹介
有機半導体ポリマーを用いた薄膜太陽電池は、従来のシリコン太陽電池に比べて製造コストを劇的に下げられる事や、大面積でフレキシブルな形態にする事が原理的に可能であることから、太陽電池の適用範囲を広げる上で多くの利点を持っています。現在はその変換効率の向上が最重要課題となっています。また、現在主流である、材料の単純混合による作成法では、構造の熱安定性に大きな問題があります。
ブロックコポリマーを用いたナノ構造制御を使って、自発的に構造を制御することを研究してきました。とくに、フラーレン化合物を連結したブロックコポリマーを用いることで、材料の混合の必要がなく、再現性よくナノ構造を構築することができるようになりました。その結果、太陽電池の熱安定性が大幅に向上しています。今後は、ナノ構造を生かした厚膜化や、高次構造制御・配向性制御ができる材料の開発を目指します。
【図の説明】高次の自己組織化
技術の特徴
- （１）
- ポリチオフェンベースのフラーレン連結半導体ブロックコポリマーを精密に合成する技術を確立しました。その結果、ナノ構造を自己組織化によって制御できることを示しました。
- （２）
- 結果として、単純混合の薄膜に比べて、構造の熱安定性が大幅に向上し、その結果太陽電池の変換効率も安定化しました。
- （３）
- また、現在フラーレン化合物との単純混合を用いていますが、開放電圧VOC = 0.78 V, 短絡電流密度JSC = 11.88 mA/cm², フィルファクターFF = 0.68, 太陽光変換効率PCE = 6.30%を示す長波長吸収半導体ポリマーを独自の分子設計により開発しており、上記の構造安定化技術と組み合わせることで、高効率で熱安定性の高い材料を開発していきます。
従来技術との比較
特許出願状況
１）特願2011- 97388、出願日2011年 4月25日
研究者からのメッセージ
ブロックコポリマーを用いたナノ構造制御は、単純混合の薄膜では回避が困難な熱安定性の問題を回避することができます。また、現在の塗布技術で達成しやすい膜厚においても効率的な電荷輸送が期待できます。
参考：
- 東京大学 大学院工学系研究科
- http://www.jst.go.jp/pr/announce/20110516/index.html
発表論文：
- 1.
- Miyanishi S.; Zhang Y.; Tajima K.; Hashimoto K.; Fullerene Attached All-Semiconducting Diblock Copolymers for Stable Single Component Polymer Solar Cells. Chem. Commun., 2010, 46, 6723-6725.
- 2.
- Miyanishi, S.; Tajima, K.; Hashimoto, K., Morphological Stabilization of Polymer Photovoltaic Cells by Using Cross-Linkable Poly(3-(5-hexenyl)thiophene). Macromolecules 2009, 42, 1610.
