広島大ら,フッ素原子ポリマーでOPVを効率化

広島大学,大阪大学,京都大学,千葉大学,高輝度光科学研究センターの研究グループは,フッ素原子を有する独自の半導体ポリマーを開発した(ニュースリリース)。

この半導体ポリマーを塗布して作製した有機薄膜太陽電池(OPV)は出力電圧が高まり,エネルギー変換効率(太陽光エネルギーを電力に変換する効率)が向上することを発見した。また,半導体ポリマーの化学構造におけるフッ素原子の位置が,半導体ポリマーの性質やOPVの特性にどのように影響を与えるかを解明した。

半導体ポリマーをp型半導体材料,フラーレン誘導体をn型半導体材料として用いる有機薄膜太陽電池OPVは,半導体ポリマーをプラスチック基板に塗って薄膜化することで作製できるため,コストや環境負荷を抑えることができ,大面積化が容易となる。

また,軽量で柔軟,透明にすることが可能であり,室内光下で変換効率が高いという特長を持つことから,IoTセンサー,モバイル・ウェアラブル電源や窓,ビニールハウス向け電源など,現在普及している無機太陽電池では実現が難しい分野への応用を切り開く次世代太陽電池として注目されている。

しかし,OPVの実用化にはエネルギー変換効率の向上が最重要課題であり,そのためには新しい半導体ポリマーの開発が不可欠となる。

今回,研究グループは,広島大学が以前に開発した半導体ポリマーに,大阪大学が開発したフッ素導入技術を応用することで,これまで不可能だった位置にフッ素が導入された新しい半導体ポリマーを開発することに成功した。

これにより,半導体ポリマーの分子軌道エネルギーの準位を,OPV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,変換効率を1割向上させることに成功した。さらに,フッ素原子を導入する位置によって,半導体ポリマーの分子配向が大きく異なり,電荷輸送注や電荷再結合に影響を及ぼすことも明らかとなった。

研究グループは,この研究で得た新しい知見を基に半導体ポリマーを改良することで,さらなるエネルギー変換効率の向上が見込めるとしている。

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