京都大学は24日、有機半導体をフィルム状のプラスチックに塗って作る有機薄膜太陽電池（OSC）、いわゆるプラスチック太陽電池の発電メカニズムを解明したと発表した。これによってOSCの効率的な材料設計が可能になる。この研究成果は英国の国際学術誌「Energy & Environmental Science」に22日（現地時刻）にオンライン掲載された。
有機薄膜太陽電池（OSC）は有機半導体を発電層として用いた薄膜太陽電池の総称。印刷プロセスによる大量生産ができるとともに、安価かつ軽量で柔らかいという特長がある。また、室内光下で変換効率が高いという特性を持つことから、次世代太陽電池として注目されている。その実用化のためには発電効率の向上が最重要課題である。
従来のOSCでは高分子（プラスチック）材料である半導体ポリマーを正孔を運ぶp型半導体、フラーレン誘導体を電子を運ぶn型半導体として用い、両者のエネルギー準位差（オフセット）を駆動力として光電変換していた。このオフセットは0.3eV以上必要とされてきたが、大きなオフセットは発電効率とトレードオフになっていた。
近年はn型半導体として非フラーレン型電子アクセプター（NFA）が着目されている。NFAを用いた時にはオフセットが0.1eVほどしかなくても効率よく発電するために、従来のフラーレン系OSCをはるかに凌駕する19%以上の光電変換効率が報告されている。しかし、NAFを用いたOSCでなぜオフセットが小さくても効率よく光電変換できるかその発電メカニズムが解明されていなかった。
OSCの発電メカニズムを解明
京都大学大学院工学研究科 玉井康成 助教らの研究グループは、NFAを用いたOSCの発電メカニズムを明らかにして、明確な材料設計指針の構築に取り組んだ。今回の研究では半導体ポリマーにPM6という有機化合物、NFAにY6という有機化合物を用いた。オフセットが0.1eVで15%以上の光電効率を示して、現在最も盛んに研究されている材料の組合せである。
PM6とY6の界面で電荷が束縛された状態から自由電荷に解離する様子を計測したところ、10p（ピコ、10-12）秒程度の時間を要することがわかった。従来のフラーレン誘導体では0.1p秒程度であり、非常に遅い反応である。さらにY6のスペクトルの時間変化の計測から、時間とともに電荷がより結晶性の高い領域に移動していることがわかった。結晶状態の方がエネルギー準位が深いため、電子は結晶領域に移動することでより安定する。
OSCの発電層は、p型半導体とn型半導体の界面では材料の結晶性が低下していることから、発生した電荷がよりエネルギー的に安定な結晶領域に移動することで発電していると判断された。つまり、界面から遠く離れるほどY6の結晶性が向上し、それに伴いエネルギー準位が連続的に安定化することで、電荷が坂道を転がるように界面から遠ざかっていくと考えられる。
この研究によりOSCの発電メカニズムを解明したことにより、無限に存在する有機半導体の中からOSCの材料としての期待値が高い有望株を効率的にスクリーニングできるとしている。
画像提供：京都大学