Creation of size-specific nanoparticle-containing, high-efficiency, low-cost, disposable organic and inorganic thin-film solar cells

• Project/Area Number: 22K14717
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
• Research Institution: Oyama National College of Technology
• Principal Investigator: 植田 泰之 小山工業高等専門学校, 物質工学科, 助教 (90879727)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 有機太陽電池 / 有機薄膜太陽電池 / 有機無機太陽電池 / 発電高分子 / 酸化物半導体 / 全塗布型太陽電池 / 有機無機複合太陽電池 / 有機無機複合材料 / 有機エレクトロニクス / 発電素子

Outline of Research at the Start

有機材料を含む有機系および有機無機複合太陽電池は、従来の無機系太陽電池とは異なる用途展開が期待でき、実用化に向けた取り組みが国内外で進められている。しかしながら、効率、プロセスおよび材料コスト、寿命、安全性等の理由で市場へは浸透していない。そこで本研究では、亜鉛酸化物(ZnO)のサイズ別ナノ粒子をモルフォロジーとキャリア移動度の制御に援用した「革新的電荷マネージメント層」の創製により、申請者がこれまでに研究を行っている導電性有機材料及び有機無機複合太陽電池の特徴を融合した、高効率・低コスト・無毒な塗布型太陽電池の開発を目的とし、将来、本分野の普及推進に資する。

Outline of Annual Research Achievements

有機物と無機物を複合したハイブリット薄膜太陽電池の低コスト、且つ高透過性を有する全塗布型有機無機太陽電池の開発を目的としている。本年度は特に、n型半導体に亜鉛酸化物を用いた電荷輸送層の相分離構造制御による電化分離/高効率化を中心に研究を実施した。
p型半導体高分子としてP3HTもしくはPEDOTFをドナー材料、アクセプター材料として無機酸化物半導体を用いて、太陽電池素子を作製し、電荷分離及び電荷輸送が発現することを確認した。まず、P3HTをドナー材料、アクセプター材料として亜鉛酸化物/チタンアルコキシドとした時、既存のチタンアルコキシドのみを用いた場合に比べ、解放端電圧が増加することを確認した。酸化亜鉛粒子の飽和限界電流の比較から、電荷分離後の再結合確率が減少したためであると推測できる。
更に短波長吸収材料であるPEDOTFをドナー材料として採用した際には、金属酸化物半導体との組み合わせにより、P3HTを用いた場合に比べ、さらに開放端電圧が増加することを確認した。本結果より、PEDOTFと亜鉛酸化物の組み合わせはエネルギーレベルの整合性については電荷分離の発現に十分であることが明らかとなった。
一方、チタンアルコキシドのみをアクセプター材料として用いた場合に比べ、短絡電流密度が低下していることから、キャリアー輸送性が低いことが推測できる。そこで、SP値を指標とした相分離構造制御手法を用いて改善を試みた結果、異なるSP値の溶媒を用いることにより短絡電流密度が変化することを確認した。高SP値溶媒を用いることにより、短絡電流密度が増加することを見出した。
今後は、引き続き最適な発電素子の探索と混合溶媒による検討を行い、高効率化を目指すと共に、サイズ別亜鉛酸化物粒子を添加した条件検討を実施する予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画である酸化物半導体と発電高分子から形成される系で電荷分離を確認することができ、エネルギーレベルの整合が示唆された。一方、相分離構造制御を試みた結果、SP値が異なる溶媒を用いることにより短絡電流密度が増大することを見出した。結果として、金属酸化物の粒子サイズの合成検討段階まで至っている。従って、本研究は当初の計画に対し、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

金属酸化物の粒子サイズ合成検討に加え、大気下でも発電層を形成可能な単一溶媒における相分離制御を行い、最適な相分離構造を見出す。さらに研究計画に記載のドナー材料の高電子輸送性・層分離制御能の付与について検討を実施する。

Research Products

• [Presentation] Morphology Control of Organic-Inorganic Hybrid Materials for Thin Film Bulk-Heterojunction Solar Cell based on Metal-alkoxide (2023)
  • Author(s): K. Iwakami, N. Hatsugai, T. Kato, Y. Ueda, K. Nishii, K. Tokumaru, K. Ogata, H. Kanematsu, T. Kanbara, J. Kuwabara, Y. Asai, T. Fukumoto.
  • Organizer: The 1st KOSEN Research International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機無機ハイブリッド太陽電池に関する研究 ～TiOx-ZnO複合電子アクセプターの利用～ (2022)
  • Author(s): 初谷直春, 加藤岳仁, 西井圭, 植田泰之, 今泉文伸, 浅井靖史, 福本正
  • Organizer: 2022年日本機械学会関東支部栃木ブロック研究交流会術講演会