有機半導体の状態密度分布の制御による低照度下でも高効率な太陽電池の創成

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究では，光量によらずに高い光電変換効率を示す有機薄膜太陽電池の創成を目標とし，有機半導体の状態密度分布エンジニアリングでその実現を目指す。昨年度は、有機半導体の状態密度分布を超高感度に計測する手法を用いて、状態密度分布の幅が電界効果トランジスタの特性をどのように決めるのかを明らかにした。高分子半導体の電荷移動度は状態密度の幅が狭くなるほど高くなることが見出された。したがって、太陽電池中で効率的に電荷を取り出すためには、高分子電子ドナー材料の状態密度分布幅を狭く(＝移動度を高く)する方針が適当である。この結果はSmall誌にて報告した（DOI:10.1002/smll.202205570）。高効率な有機太陽電池の光電変換特性を光強度を変えながら測定した。短絡電流は光強度に線形に依存する自然なふるまいを示した。一方、開放電圧とフィルファクタは光強度が減少すると急激に減少した。開放電圧と照射光強度の間には指数関数的な依存性があるが、光量が弱くなったある時点からこの依存性から外れ、大きく減少する。この原因は、光強度が弱い時に光が作る電流と、暗状態で半導体中を流れる電流が同程度になるためである。言い換えると、太陽電池におけるシャント抵抗が不足している、もしくは不要なリーク電流が大きい。このリーク電流を低減すれば、低光強度下でも開放電圧・フィルファクタの大幅な減少が避けられるはずである。このリーク電流の原因が半導体材料の内因的な特性にあるのか、それとも素子構造に依存した外因的なものなのか検証しているところである。