フレキシブル太陽電池の電力変換効率が大幅向上！

最近、中国科学院青島バイオエネルギー・バイオプロセス技術研究所（QIBEBT）の研究者らは三元有機太陽電池（TOSC）に使用される材料を改良し、従来の太陽電池と同様の効率レベルを達成した。 この研究はジャーナル「Advanced Materials」に掲載されました。 有機光起電力太陽電池 (OSC) は、結晶シリコンやその他の無機材料を使用する従来の無機太陽電池とは対照的に、有機材料 (通常は小分子またはポリマー) を使用して太陽光を電気に変換する太陽電池の一種です。

有機太陽電池の主な利点の 1 つは、その多用途性と軽量性です。 インクジェット印刷などのソリューションベースの技術を使用して低コストで製造できるため、硬いパネルの代わりに柔軟なロールを使用できます。 その結果、センサー、ポータブル充電器、ウェアラブル電子機器などのさまざまな分野で応用されています。 OSC は半透明または着色することもできるため、見た目が美しく、建物、窓、その他の構造物への統合に適しています。

しかし、有機太陽電池は無機太陽電池に比べて電力変換効率（PCE）が低く、TOSCはこれを改善することを目指している。 標準的な二元系有機太陽電池はドナー材料とアクセプター材料で構成されていますが、TOSC は「ゲスト」材料として知られる 3 番目の成分が含まれているため異なります。

このゲストコンポーネントを含めることは、セルの内部エネルギー束の変更やセルが光を電気に変換する方法の最適化など、太陽電池の性能のさまざまな側面を強化するために重要です。 ゲスト成分は、太陽電池が吸収できる光のスペクトルを広げることができるため、PCE を高めるために特に重要です。 ドナー材料やアクセプタ材料で覆われていない領域で光を吸収するゲスト材料を選択することにより、セルの全体的な光吸収容量を向上させることができます。 また、混合膜の形態を微調整して、励起子の解離、電荷の生成、輸送に影響を与えることもできます。

ゲストコンポーネントが複数の異なるアクティビティを実行できることを考慮すると、太陽電池の「サンドイッチ」またはマトリックス内のゲストコンポーネントの正確な位置は、パフォーマンスに大きな影響を与えます。 ゲスト成分には 3 つの可能な位置があります。ドナー材料内に埋め込まれるか、アクセプター材料内に埋め込まれるか、ドナーとアクセプターの界面に分散して合金のような混合構造 (凝集体) を作成します。 ただし、最近まで、ゲスト コンポーネントの位置について実験的に検討されたことは比較的ほとんどありませんでした。

研究では、科学者らは TOSC の LA1 と呼ばれるゲスト成分を使用しました。これは、結晶性の点で他のゲスト成分材料とは異なります。 LA1は小分子アクセプターであり、研究者らはこれをフェニルアルキル側鎖で修飾した。フェニルアルキル側鎖は、太陽光発電システム用の有機材料で一般的に使用される官能基である。

フェニルアルキル側鎖を含むように LA1 を修飾すると、十分な適合性を維持しながら結晶化度と配向の両方が向上し、TOSC 性能が向上しました。

さらに、研究者らは、ホスト/ゲストの適合性、表面エネルギー、結晶速度論、分子間相互作用など、ホスト成分とゲスト成分の間の相互作用に影響を与える変数を変更することで、ゲスト成分の分布を制御しました。 彼らは、ほとんどのゲスト分子で合金状の凝集体を発見し、これがホストマトリックス全体に浸透して拡散しました。

これらの統合されたホスト/ゲスト「合金」の結晶子サイズは、電荷移動を強化し、電荷の再結合を抑制するように簡単に調整でき、その結果、初期 PCE が 15% 以上増加します。 その後、ゲストコンポーネントをメインコンポーネントとしての Y6 シリーズアクセプタと組み合わせることで、19% を超えるさらに大きな効率向上を達成しました。

研究者らは実験的に大きな成功を収めたと考えているが、将来的にはこれらの利点を生み出す根本的な要因をより深く理解する必要がある。 彼らは、これらの基本的なシステムについてより深い洞察を得ることを望んでいます。

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