光電変換効率が高い有機薄膜太陽電池の発電の仕組みは「下り坂」だった―京都大学が発電機構を解明

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左図：従来型の有機薄膜太陽電池では、十分な「オフセット」（=電子の動きを速くするドーピングのようなもの）がないとエネルギー準位の峠を越えられず効率よく発電できない。右図：最新型の有機薄膜太陽電池ではエネルギー準位の勾配ができるため、オフセットがなくても坂道を下るだけで効率よく発電できる

京都大学大学院工学研究科の研究グループは2月24日、プラスチック太陽電池とも呼ばれる有機薄膜太陽電池（OSC。Organic Solar Cell。OPVとも）の発電メカニズムを明らかにしたと発表した。P型半導体に半導体ポリマー、n型半導体に非フラーレン型電子アクセプターを用いたOSCは、「坂を下る」ように効率的に発電ができるという。

軽量、柔軟で、大量生産に向き、室内光でも光電変換効率が高いOSCは、次世代太陽電池として注目されている。特に、これまでn型半導体に使われてきたフラーレン誘導体の替わりに非フラーレン型電子アクセプター（NFA。Non-Fullerene Acceptor）を使うことで、OSCの課題となっていた高い「オフセット」（エネルギー準位差）の問題が解決し、さらなる高効率が実現した。研究グループでは、半導体ポリマーに「PM6」という有機化合物を、NFAには「Y6」という有機化合物を用いて研究を行った。これらは、オフセットが低くとも発電効率がよいことから、現在もっともよく研究されている材料だ。しかし、その発電メカニズムはよくわかっていなかった。OSCを実用化するためには、その解明が欠かせない。

OSCでは、半導体ポリマーとNFAのエネルギー準位（エネルギーレベル）の差によって光電変換が行われる。従来の方式では、効率のよい光電変換を行うには、0.3eV（電子ボルト）の電圧をかける必要があった。これがオフセットだ。光電変換効率を高めるには、太陽電池の最大電圧を高める必要がある。そのためにはオフセットを小さくしなければならない。しかし、オフセットを小さくすると効率的な発電が行われない。そこが大きな問題だった。ちなみに、PM6とY6を組み合わせたOSCでは、オフセットは0.1eVで済む。

研究グループは、PM6とY6のブレンド膜で電子と正孔が形成する界面電荷移動状態（電子と正孔が拘束された状態）を観察した。電子と正孔が拘束から解かれて自由電荷になること（電荷解離）で、光電流として回収され、光電変換が行われるようになるのだが、電荷解離までの時間を測定したところ、10ピコ秒だった。フラーレン誘導体を用いたOSCでは0.1ピコ秒ほどであり、その反応が速いことが高効率な発電につながると考えられている。そのため、非常に長い時間がかかるPM6とY6の組み合わせでは、発電のメカニズムが異なることがわかった。

その秘密は結晶化にあった。n型半導体のY6は時間とともに非晶状態から結晶状態へと変化する。n型半導体とp型半導体の相分離界面付近では材料の結晶化が低下していることが知られている。Y6の基底状態（エネルギー値がもっとも低い状態）を調べたところ、そのスペクトルの変化から、時間とともに電荷がより結晶性の高い領域に移動していることがわかった。非晶状態のY6よりも結晶状態のY6のほうがエネルギー準位が「深く」、電子は結晶相へ移動することで安定化されるためだという。結晶性が低い相分離界面で発生した電荷は、よりエネルギー的に安定した結晶性の高い領域を求めて移動することで電荷解離されていた。つまり、「界面から遠く離れるほどY6の結晶性が向上し、それに伴いエネルギー準位が連続的に安定化することで、電荷が坂道を転がるように界面から遠ざかっていく」という。

この研究成果を活かすことで、「無限に存在する有機半導体」からOSCの材料として有望なものを効率的にスクリーニングでき、さらなる効率向上が期待されるとのことだ。