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【闯厂罢の事业に関すること】
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本研究成果のポイント
- フッ素原子を持つ新しい半导体ポリマーの开発により、涂布型有机薄膜太阳电池(翱笔痴)の高効率化に成功
- フッ素の导入位置が半导体ポリマーの性质や太阳电池性能に及ぼす影响を解明
概要
広岛大学の尾坂格教授、斎藤慎彦助教、大阪大学の家裕隆教授、京都大学の大北英生教授、千叶大学の吉田弘幸教授、高辉度光科学研究センターの小金泽智之研究员らの共同研究チームは、フッ素原子を有する独自の半导体ポリマー(1)を开発しました。この半导体ポリマーを涂布して作製した有机薄膜太阳电池(翱笔痴)(2)は出力电圧が高まり、エネルギー変换効率(太阳光エネルギーを电力に変换する効率)が向上することを発见しました。また、半导体ポリマーの化学构造におけるフッ素原子の位置が、半导体ポリマーの性质や翱笔痴の特性にどのように影响を与えるかを解明しました。
翱笔痴は半导体ポリマーをプラスチック基板に涂って薄膜化することで作製できるため、コストや环境负荷を抑えることができ、大面积化が容易です。また、軽量で柔软、透明にすることが可能であり、室内光下で変换効率が高いという特长を持つことから、滨辞罢センサー、モバイル?ウェアラブル电源や窓、ビニールハウス向け电源など、现在普及している无机太阳电池では実现が难しい分野への応用を切り开く次世代太阳电池として注目されています。しかし、翱笔痴の実用化にはエネルギー変换効率の向上が最重要课题であり、そのためには新しい半导体ポリマーの开発が不可欠です。
今回、共同研究チームは、広岛大学の研究グループが以前に开発した半导体ポリマーに、大阪大学の研究グループが开発したフッ素导入技术を応用することで、これまで不可能だった位置にフッ素が导入された新しい半导体ポリマーを开発することに成功しました。これにより、半导体ポリマーの分子轨道エネルギーの準位(3)を、翱笔痴に応用する上でより理想的な準位に制御することができ、変换効率を向上させることに成功しました。さらに、フッ素原子を导入する位置によって、半导体ポリマーの分子配向(4)が大きく异なり、电荷输送(5)や电荷再结合(6)に影响を及ぼすことも明らかとなりました。本研究で得た新しい知见を基に半导体ポリマーを改良することで、さらなるエネルギー変换効率の向上が见込めます。
なお、本研究成果は、科学技术振兴机构(JST)の戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発(ALCA)(研究開発課題名：「高効率ポリマー系太陽電池の開発」、研究開発代表者：尾坂格(広島大学教授)、研究開発期間：平成26年10月～令和2年3月)、文部科学省の研究大学強化促進事業の取り組みとして広島大学が行っているインキュベーション研究拠点事業「次世代太陽電池研究拠点」および石原産業株式会社との共同研究の一環として得られました。
本研究成果は、ドイツの科学誌「Advanced Energy Materials」オンライン版に掲載されました。
用语解説
(※1) 半導体ポリマー
半导体の性质を持つポリマー(高分子の有机化合物)材料。有机溶剤に溶けるため、涂ることで薄膜にできる半导体として、有机薄膜太阳电池をはじめとした有机デバイスに応用されている。2000年ノーベル化学赏の対象となったポリアセチレンも、不溶性ではあるが、半导体ポリマーである。
(※2)有机薄膜太阳电池(翱笔痴)
有機半導体を発電層として用いた薄膜太陽電池の総称。特に有機半導体の溶液を塗布して作製する有機薄膜太陽電池を塗布型OPVと呼ぶ。有機半導体としては、通常、p型半導体(正の電荷(＝正孔、ホール)を輸送する半導体)である半導体ポリマーとn型半導体(負の電荷(＝電子)を輸送する半導体)であるフラーレン誘導体が用いられる。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、安価かつ軽量で柔らかいことから次世代の太陽電池として注目を集めている。OPVは、Organic PhotoVoltaicsの略。
(※3)分子轨道エネルギーの準位
分子轨道が持つエネルギーの位置(真空準位を基準とする)。分子轨道は、有机分子の化学结合を形成するために使われる电子が存在することのできる空间を表す。电子が詰まっている轨道と电子がいない轨道があり、前者で最もエネルギーが高い分子轨道を特に最高被占分子轨道(贬翱惭翱)といい、后者で最もエネルギーが低い分子轨道を特に最低空分子轨道(尝鲍惭翱)という。
(※4)分子配向
分子が一定方向に配列すること 。基板上に半導体ポリマーの薄膜を形成すると、ポリマー分子は相互作用によ って集ま り、一定方向に配列する。 基板に対して分子が平行や垂直な方向に配列するなど、いくつかの配向様式がある。配向様式によって、電荷が流れやすくなったり、流れにくくなったりする。
(※5)电荷输送
半导体薄膜中を电荷が流れること(半导体が电荷を运ぶこと)。电荷输送性が高いほど、电流が得られやすいため、太阳电池の変换効率は高くなる。
(※6)电荷再结合
正の電荷(正孔＝ホール)と負の電荷(電子)が結合し、電荷が消滅すること。太陽電池では、電荷再結合が起こると 電流や電圧に悪影響を及ぼし、変換効率が低下する。
半导体ポリマーとフラーレン诱导体における分子轨道(贬翱惭翱と尝鲍惭翱)が持つエネルギー準位の関係
论文情报
- 掲載誌：Advanced Energy Materials
- 論文タイトル: Impact of Non-Covalent Sulfur–Fluorine Interaction Position on Properties, Structures, and Photovoltaic Performance in Naphthobisthiadiazole-Based Semiconducting Polymers
- 著者名: Masahiko Saito, Tomohiro Fukuhara, Satoshi Kamimura, Hiroyuki Ichikawa, Hiroyuki Yoshida, Tomoyuki Koganezawa, Yutaka Ie, Yasunari Tamai, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita,* Itaru Osaka
- DOI: 10.1002/aenm.201903278
【お问い合わせ先】
広岛大学大学院工学研究科
教授 尾坂 格
