客观日本

塗层型太阳能电池能量转換率达到10% ~配合分子排列方向提高有机薄膜太阳能电池的能量转換牽

2015年06月18日 化学材料

由理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心创发分子机能研究小组的尾坂格高级研究员、泷宫和男组长以及北陆尖端科学技术大学院大学的村田英幸教授、Vohra Varun博士研究员、高亮度光科学研究中心小金泽智之研究员所组成的研究团队,成功将涂布有半导体聚合物的有机薄膜太阳能电池(OPV)的能量转換率(太阳能转变为电能的效率)提高到10%。研究发现,制造符合半导体聚合物分子排列方向的OPV对于提高转换率尤为重要。

由于OPV质量轻且柔软,由涂布半导体聚合物即可制成,使制作大面积电池成为可能。因其生产成本低、环境负荷少,具备目前普及的硅太阳能电池所不具备的优点,作为新一代太阳能电池而受到广泛关注。一直以来,在OPV的研究开发中,将转換率提升至10%是一大目标。最近,日本国内大型企业以及欧美的新兴企业已成功将转換提高至10%,但是其技术内容几乎都未公开。

在此前的研究中,理研研究小组曾将结晶性较高的半导体聚合物用于OPV的发电层,此次共同研究团队对其进行了改进,成功将原来6%左右的转换率提高至10%。此外,研究团队通过大型放射线设备SPring-8对改进后的发电层进行X射线构造解析时发现,半导体聚合物分子在OPV元件的上部电极和下部电极附近的排列有所不同,电荷在元件上下方向的流动难易度也不同。进而,在此种构造的元件中,将阳极和阴极配置成使光吸收产生的电荷更容易流动的方向,这成为转换效率提高的关键一步。

该研究阐明了OPV转化率达到10%所需要的半导体聚合物的分子构造与物性,以及分子排列与元件构造间的关系。在此基础上通过对半导体聚合物的进一步改良,有望促进研究,实现将转化率提高至15%的目标。

该研究成果刊登在英国科学杂志《Nature Photonics》的电子版上(日期:5月25日 日本时间5月26日)

该研究是科学技术振兴机构(JST)战略性创造研究推进项目·个人型研究(先驱)的“太阳光和光电转化机能”(研究总结:早濑修二)领域中,名为“以高效有机薄膜太阳能电池为目标的新型半导体聚合物的开发”研究课题(研究者:尾坂格)的其中一个环节。

<背景>

采用半导体聚合物作为p型半导体材料的有机薄膜太阳能电池(OPV)具有质量轻、柔软的优点。并且,由于涂布半导体聚合物即可制成,生产成本低、环境负荷少,可大面积制作,因此作为新一代太阳能电池而倍受关注。在OPV的实用化方面,如何提高能量转換率是最重要的课题。已经普及的硅太阳能电池的转換可达20%以上,而此前OPV的转換率还不及其一半。最近,日本国内的一些大型企业以及欧美的新兴企业成功使能量转換达到了10%,但是与之相关的半导体聚合物的分子结构以及OPV的元件构造等重要的技术内容尚未公开。运用何种技术可将转換率提至10%以上成为了一个重要的研究课题。于是,共同研究团队着力对采用了独立开发的半导体聚合物制成的OPV进行研究,探明提高转化率的具体构造。

<研究手法与成果>

理研的研究小组曾开发出较以往的半导体聚合物相比结晶性更高的PNTz4T,此次共同研究团队将其用做OPV元件的发电层并对元件结构进行了改进,希望以此可以提高转换率。

※)Journal of the American Chemical Society, 2012年134卷7号3498-3508页。

研究团队将由半导体聚合物和富勒烯诱导物混合制成的发电层厚度由原来的150纳米(nm)增加到300纳米,使得电流密度大幅增加,转换率从6%左右提升到了8.5%。进而,研究团队将以往的OPV元件的正负极配置进行了调换,通过使用逆构造的元件,成功将转换率提升至10%以上。图1显示的是要计算能量转化率所必需的OPV元件的电流·电压特性。

将太阳能电池的发电层增厚的话,光吸收量会增加,电荷的生成数量相应也会增加。一般情况下,半导体聚合物比硅等无机半导体,空穴迁移率较低,因此空穴在到达电极之前就会与电子重新结合,很难形成电流,转化率也较低。然而,PNTz4T与以往的半导体聚合物相比,结晶性高且空穴迁移率也较高,即便发电层增厚,空穴也能在到达电极前不与电子结合。因此,电流量增大,转换率也相应提高。

一般情况下,半导体聚合物的分子可形成两种不同的排列状态。一种是与基板平行的“face-on排列”,一种是与电子线路板垂直的“edge-on排列”。在OPV中,呈face-on排列的分子,电荷更易移动,其比例越高越有利。利用大型发射线设备SPring-8的Beam Line(BL46XU)对发电层的详细X射线构造进行解析时发现,PNTz4T的分子排列face-on与edge-on混合存在。此外,对以往使用的顺构造元件与此次使用的逆构造的元件的发电层中所含face-on排列的分子比例进行对比发现,逆构造元件的比例更高。并且,在两种构造的元件中,分子排列都呈现以下特点:上部电极处face-on排列分子较多,下部电极处edge-on排列分子较多。也就是说,PNTz4T的空穴更容易向上部电极方向迁移。顺构造元件中,收集空穴的正电极配置在下部电极上,没有完全发挥出face-on排列的优势。因此,逆构造元件中,将收集空穴的正极配置在上部电极,这种构造符合空穴的移动方向,转换率自然也就相应提高(图2)。

此前,控制半导体聚合物的分子排列样式的重要性已众所周知,但此次研究首次发现在OPV中,半导体聚合物的分子排列也存在分布问题,并且发现通过改进顺应这种排列的元件结构是提高转换率的关键。

<未来展望>

此次,通过使用结晶性较高的半导体聚合物PNTz4,制成了符合聚合物分子排列分布的元件结构,提高了电荷的收集效率,成功将OPV的转换率提升至10%。在此之前,OPV的转换率虽已达到10%,但其技术内容并未公开。本次研究阐明了在半导体聚合物的选用以及在目标达成中应注意的问题。该研究成果,对于世界上所有追求OPV高效化的研究者来说具有重要意义。今后,通过改良PNTz4、有望开发出适宜于材料的元件构造,我们离转换率达到15%,实现实用化的目标将越来越近。

<参考图>

 

塗层型太阳能电池能量转換率达到10%

图1 采用PNTz4做发电层的OPV元件的电流·电压特性

将顺构造元件的发电层增厚,再使用逆构造元件,电流密度增大,转化率调高。能量转化率是,从电流·电压特性中读取出短路电流密度(电压为0V时的电流密度)和开放电压(电流密度为0mA/cm2时的电压),以及曲线因子(最大输出),将这些相乘求得的。

 

塗层型太阳能电池能量转換率达到10%

图2 利用PNTz4做发电层的OPV元件的模型图

无论在顺构造还是逆构造元件中,上部电极附近face-on排列的聚合物分子比例较多,下部电极附近edge-on排列的聚合物分子比例较多。在逆构造的元件中,空穴是朝着上部电极(正极)移动的,空穴更易迁移,转化率也会相应提高。

新闻发布
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150526/

转载·翻译自JST新闻发布

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