高分子ブレンド薄膜太陽電池における内部構造制御による高効率化とその素過程の解明

点击翻译按钮获取中文摘要

電子ドナー(D)、電子アクセプター(A)材料ともに共役高分子を用いた全高分子型太陽電池は、光捕集や電荷輸送、開放電圧の観点から、A材料にフラーレンを用いた従来の太陽電池に勝る特性が期待できる。しかし、そのエネルギー変換効率は2%以下に低迷しており原因も明確ではない。本研究では、全高分子型の特性向上と高効率太陽電池の設計指針確立を目的とした。本年度は、まず、P3HT/PF12TBTブレンド薄膜に対して、過渡吸収分光測定を行うことで、熱アニールによる素子特性向上の要因を光電変換素過程の観点から議論した。その結果、熱アニール前のブレンド膜では、生成電荷の大半が2500psの時定数で対再結合により失活し、光電流に寄与できる長寿命の自由電荷がわずか36%しか存在しないことを示した。一方で、熱アニール処理は、対再結合による失活を減少させ、自由電荷生成効率の向上につながることを明らかにした。アニール前では、D/A両材料が明確な相分離ネットワーク構造を形成しておらずドメイン内の純度も低いため、生成した電荷が自由に解離・拡散できずに対をなしたまま再結合する。一方で、熱アニールによる、ネットワーク形成とドメイン純度の向上、P3HTの結晶化よる電荷移動度の向上が、対再結合の抑制につながり、素子特性の向上に結び付くことを示した。さらに、近赤外光吸収と高い電荷輸送度を有する共役高分子をDおよびA両材料に用いることでさらなるPCE向上に挑んだ。ベンゾジチオフェン誘導体とチエノチオフェン誘導体との共重合体(PBDTTT-EF-T)をD材料として、N2200をA材料として用いた太陽電池を開発した。光吸収波長、相分離構造、電荷移動度の観点からD、A共役高分子材料を適切に選択できた結果、5.7%のPCEを達成し、共役高分子の相分離膜が有機太陽電池の発電層として極めて高い能力を有することを実証した。