階層的組織化による濃度傾斜型活性層の実現と有機太陽電池への応用

通过分层组织实现浓度梯度活性层及其在有机太阳能电池中的应用

• 批准号: 12F02348
• 负责人: 村田 英幸
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2014-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12F02348/
• 关键词: 二層積層型太陽電池; 濃度傾斜構造; TEM; EDS

本研究では、有機太陽電池の高効率化をもたらすメカニズムを明らかにするために、薄膜中の分子配向性と膜厚方向におけるマクロな相分離構造の関係に着目して研究を実施した。p型高分子とn型低分子材料の膜厚方向の濃度分布を定量的に評価するために、我々が提案したエネルギー分散型X線分析(EDS)を利用した。今年度は、膜厚方向の相分離構造制御を行うために、p型高分子Poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT)並びにn型分子Phenyl-C61-butyric acid methylester (PC61BM)混合系を用いて検討した。その結果、立体規則性の高いp型高分子(regioregular P3HT)にアモルファス相を形成するp型高分子(regiorandom P3HT)を添加することで求める濃度傾斜構造を実現できることが分かった。具体的には、ITO基板近傍ではp型高分子P3HTの濃度が高く, 上部のAl電極に近づくにつれてn型分子PCBMの濃度が高くなることを見出した。作製した有機薄膜太陽電池は, 変換効率が3.1%から3.8%に向上した。このデバイス特性の向上は短絡電流密度(Jsc)と開放電圧(voc)に起因しており、vocの向上はRRa-P3HTの深いHOMOレベルによるものである。一方、Fill factor (FF)の向上と直列抵抗(Rs)の減少は濃度傾斜構造に強く依存していることがEDS分析から明らかになった。さらに、本研究で開発した濃度傾斜構造を他のp型高分子材料(PNz4T)へと応用したところ変換効率8.9%を達成することが出来た。(理化学研究所 瀧宮グループとの共同研究)。この変換恋率は、2012年時点で世界最高の変換効率9.2%(Z. He et al., Nature Photonics 2012,6, 591-595.)に迫る値である。この様に、我々は有機薄膜太陽電池の高効率化における濃度傾斜構造形成の重要性を明らかにすることが出来た。これらの結果は、我々が当初提案した積層型高分子太陽電池に留まらず、通常のバルクヘテロ構造においても濃度傾斜構造形成が不可欠であることを示すものである。

This study で は, organic solar cell の high rate of unseen を も た ら す メ カ ニ ズ ム を Ming ら か に す る た め に と の ligands to sex in the film, the film thickness direction に お け る マ ク ロ な phase separation structure の に masato department with mesh し て research を be applied し た. P type polymer と n type low molecular material の film thickness direction の concentration distribution を に of quantitative evaluation of 価 す る た め に, I 々 が proposal し た エ ネ ル ギ ー dispersible X-ray analysis (EDS) を using し た. This year, を and thickness direction <s:1> phase separation structure manufacturing を, うために p-type polymer Poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT) and びに n-type molecule Phenyl-C61-butyric acid methylester (PC61BM) hybrid system を use を て検 to claim た. そ の results, three-dimensional high regularity の い p type polymer (regioregular P3HT) に ア モ ル フ ァ を ス phase formation す る p type polymer (regiorandom P3HT) を add す る こ と で o め る concentration を inclined structure be presently で き る こ と が points か っ た. Specific に は, ITO substrate near alongside で は p type polymer P3HT の high concentration が く, upper の Al electrode に nearly づ く に つ れ て n type molecular PCBM の high concentration が く な る こ と を shows し た. To fabricate た organic thin-film solar cells, the conversion efficiency is が3.1%, ら3.8%, に, and upward が た. こ の デ バ イ ス の は up short winding current density (Jsc) と open electric 圧 (voc) cause に し て お り, voc の up は RRa - P3HT の deep い HOMO レ ベ ル に よ る も の で あ る. One party, the Fill factor (FF) の と inline resistance (Rs) の reduce upward inclined structure strong に く は concentration dependent し て い る こ と が EDS analysis か ら Ming ら か に な っ た. さ ら に, this study で 発 し た concentration inclined structure を he の p type macromolecule material (PNz4T) へ と 応 with し た と こ ろ - in sharper rate 8.9% を reached す る こ と が た. (Co-studied by Takamiya of the Riken Institute, グ, プと, プと, プと). The <s:1> transformation conversion rate で and the world 's highest <s:1> conversion rate of 9.2% at the 2012 time point で (Z. He et al., Nature Photonics 2012,6, 591-595.)に is equivalent to る value である. こ の others に, I 々 は organic thin film solar cell の high rate of unseen に お け る concentration tilt の structure formation importance を Ming ら か に す る こ と が た. こ れ ら の results は, I 々 が original proposal し た laminated type polymer solar cells に leave ま ら ず, usually の バ ル ク ヘ テ ロ tectonic に お い て も concentration tilt が structure formation do not owe で あ る こ と を shown す も の で あ る.

项目成果

Graded Bilayer Organic Solar Cells : An opportunity to process P3HT independently of PCBM

分级双层有机太阳能电池：独立于 PCBM 处理 P3HT 的机会

• 发表时间: 2013
• 作者: Varun Vohra;Hideyuki Murata;Koichi Higashimine;Mariano Campoy-Quiles;Miquel Garriga;William Porzio;Michele Arrighetti;and Luisa Barba
• 通讯作者: and Luisa Barba

Tuning the Vertical Concentration Gradient in P3HT : PCBM Graded Bilayer Solar Cells by Adding Regiorandom P3HT

调整 P3HT 中的垂直浓度梯度：通过添加区域随机 P3HT 的 PCBM 分级双层太阳能电池

• 发表时间: 2012
• 作者: Varun Vohra;Koichi Higashimine and Hideyuki Murata
• 通讯作者: Koichi Higashimine and Hideyuki Murata

Fabrication of Inverted Bulk Heterojunction Organic Solar Cells By Completely Avoiding Any Vacuum Evaporation Processes

完全避免任何真空蒸发过程的倒置体异质结有机太阳能电池的制造

• 发表时间: 2013
• 作者: Nur Tahirah Razali;Varun Vohra and Hideyuki Murata
• 通讯作者: Varun Vohra and Hideyuki Murata

Observation of Vertical Phase Segregation in Bulk Hetercjjunction Organic Solar Cells by Using Electron Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS)

使用电子色散 X 射线光谱 (EDS) 观察体异质结有机太阳能电池中的垂直相偏析

• 发表时间: 2013
• 作者: Nur Tahirah Razali;Varun Vohra;Koichi Higashimine;Nobuo Otsuka and Hideyuki Murata
• 通讯作者: Nobuo Otsuka and Hideyuki Murata

ラビングによるP3HT : PCBMバルクヘテロ型太陽電池と二層型太陽電池の特性評価

摩擦 P3HT：PCBM 体异质太阳能电池和双层太阳能电池的表征

• 发表时间: 2012
• 作者: Guan Gui;Abolfazl Mehbodniya;Fumiyuki Adachi;村田英幸
• 通讯作者: 村田英幸