有機太陽電池のための高効率光閉じ込め技術の開発

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2022年度の研究では、有機薄膜太陽電池デバイスの表面に多層反射防止膜を導入する際に、反射防止膜の各層の光学特性に加えて、発電層及び透明電極といった太陽電池本体の特性パラメータを同時に最適化する設計法について検討を行った。特性マトリクス法による光学解析を用いて、反射防止膜の特性のみを最適化した場合と、反射防止膜と太陽電池本体の特性を同時最適化した場合について、発電電流の変化を比較した。最適化プロセスでは、多重グリッド探索をグリッド間隔を変えながら繰り返すことで、探索の効率化を図った。解析の結果、透明電極の膜厚を反射防止多層膜と共に最適化することが性能を向上させる上で特に重要であり、顕著な効率向上に結び付くことが明らかとなった。さらに、サブ波長ナノ構造及び多層反射防止膜を接合したハイブリッド反射防止構造に加えて、通常より屈折率の高い高屈折率ガラス基板を使用した統合型有機太陽電池デバイスにおいて、光が斜めに入射した場合の多層反射防止膜の設計法に関する検討も行った。この研究では、入射角に対する光エネルギーの密度分布を想定して、この分布の下で発電電流の期待値を最大化する設計手法を試みた。発電効率の平均増加率を算出した結果、従来法と比較した場合の本手法の有効性を示すことができた。これらの成果は、有機薄膜太陽電池の光閉じ込め性能を様々な条件で向上させるための有用な技術的知見を数多く提供しており、本研究は順調に進展している。