理研ら,有機太陽電池の駆動に必要なエネルギーを解明

理化学研究所(理研),千葉大学の研究グループは,有機太陽電池における効率的な光電流生成に必要な,有機半導体の電子エネルギー差を明らかにした(ニュースリリース)。

有機太陽電池における光から電気への変換(光電変換)は,光が薄膜中の有機半導体に当たると,分子の励起状態(励起子)が生じる。励起子はマイナスの電荷を持つ電子とプラスの電荷を持つ正孔が束縛された状態のため,このままでは電気を取り出せない。

そこで,生成した励起子の近く(数十nm)に,電子エネルギーの少し違う別の有機半導体を配置しておくと、2種類の材料の界面(有機ヘテロ界面)では電子エネルギーの差によって,励起子を形成する電子が隣の分子に移り,正孔は元の分子にとどまったままになる。

この結果,励起子から自由な電子と正孔が生成し,太陽電池の外部に電流を取り出すことができる。2種類の材料の有機ヘテロ界面の面積を増やすために,材料をランダムに混合したバルクヘテロ接合構造が用いられており,高い光電変換効率が報告されている。

太陽電池の光電変換効率を高めるためには,電流とともに電圧も重要となる。近年,電子エネルギーの値が近い二つの材料を選ぶと高い電圧が得られることが分かってきた。一方,電子エネルギー差が小さすぎると励起子の解離が起こらず,電流が減少する。

つまり太陽電池から取り出せる電流と電圧の間には,材料の電子エネルギー差を介したトレード・オフの関係がある。したがって,優れた太陽電池材料を開発するには,光電変換効率を最大化するように二つの材料の電子エネルギー差を最適化することが必要。

しかし、バルクヘテロ接合構造内部の複雑な界面で起こる現象を解析することは難しく、これまで光電変換効率と電子エネルギー差の関連は定量的に評価できていなかった。

今回,研究グループは,異なる分子構造と電子エネルギーを持つ電子供与性と電子受容性の有機半導体を4種類ずつ用いて,界面の構造が明確で界面現象の解明に適している,合計16個の平面ヘテロ接合構造を持つ有機太陽電池を作製し,材料の電子エネルギーと電流発生効率の相関を系統的に調べた。

その結果,有機半導体の励起状態と界面での電荷移動状態の間に0.2~0.3eVのエネルギー差があるときに,最も効率的に光を電流に変換できることを見いだした。一方で,これまで重要と考えられてきた電荷移動状態と自由電荷状態のエネルギー差は,電荷生成効率との明確な相関が見られなかった。この結果は,これまでの有機半導体開発の指針に修正を迫るものだとしている。

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