筑波大、発電中の高分子太陽電池の劣化の原因を解明

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筑波大学 数理物質系の丸本一弘 准教授が、高分子太陽電池に光を照射して蓄積する電荷の状態を解明し、それが特性の劣化と明らかな相関があることを世界で初めて観測した。独自の解析手法により、これまで推測にしか過ぎなかった高分子太陽電池の特性を劣化させる電荷の蓄積を分子レベルで解明した。その相関を調べることにより電荷の蓄積を改善するための明確な指針も得られた。2013年2月27日付けの Advanced Materials オンライン速報版に論文が掲載されている。

図1 高分子太陽電池のESR信号の光照射下の増加

有機薄膜太陽電池の一種である高分子太陽電池は、シリコン系太陽電池よりも低コストで軽く、柔軟性がある。最近では、変換効率も11%まで向上し、次世代太陽電池として実用化が期待されている。高分子太陽電池に光を照射すると、酸素や水分がない状態でも、太陽電池の素子特性が劣化することが知られており、素子内部に蓄積された電荷が原因と考えられてきた。しかし、これまでの電気的測定などの手法では電荷が蓄積した場所を特定することができず、電荷の蓄積と特性劣化との相関も証明されていなかったため、高分子太陽電池の耐久性向上の手がかりがつかめなかった。

今回、電子スピン共鳴(ESR)法と専用の疑似太陽光照射光源を用いて、実際に太陽電池を駆動させるのと同じ条件下で蓄積された電荷の数を精密に測定した。さらに、太陽電池特性を同時に計測する手法も開発した。この計測の有利な点は、電荷が蓄積した場所を分子レベルで解明できるだけでなく、電荷の蓄積と特性の劣化との相関を、素子を駆動したままリアルタイムで高精度に直接測定できるところにある。

この方法を用いて、太陽電池の素子作製時に光を照射していない状態でも素子中に電荷が発生し、その蓄積が特性を劣化させていることを明らかにした。蓄積量が多くなるほど劣化するという明らかな相関があることも分かった。

図2 高分子太陽電池の電荷蓄積と特性劣化との関係

 
高分子太陽電池で標準的に使われている有機材料を用いて素子を作製した。正電荷を運ぶ高分子材料ポリヘキシルチオフェン(P3HT)、負電荷を運ぶフラーレン誘導体(PCBM)、正電荷の取り出し層材料PEDOT:PSSを用いた。まず、光を照射している状態でESR信号を測定し、電荷が蓄積した場所を解析した。光を照射した状態では、徐々にESR信号が増加した。得られたESR信号の g 値( g =2.0022)とESR信号の線幅ΔHppの値(ΔHpp=0.25mT)から、高分子材料中に電荷が蓄積されていることが分かった(図1)。これは従来の電気的測定などでは知ることができない直接的結果であるという。

図3 高分子太陽電池で光を照射した時の電荷の蓄積

 
次に、このESR信号から蓄積された電荷の数を求めると同時に、素子特性(短絡電流密度)も測定した(図2)。その結果、光を照射する時間が増加するにつれて蓄積された電荷の数は増加し、同時に特性が劣化した。つまり、電荷の蓄積と素子の特性は明らかに相関しており、高分子材料中の電荷蓄積が特性の劣化を起こしていることになる(図3)。

この手法は、高分子太陽電池をはじめ、有機トランジスタや燃料電池など、あらゆる有機系デバイスに適用できる。原理的には、無機系デバイスにも適用できる可能性があるという。デバイス作製時に電荷の蓄積を生じない工夫を行うことで、デバイス劣化を未然に防止し、耐久性の向上が可能になると考えられる。


発表資料

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