2021 Fiscal Year Annual Research Report
The improvement of efficiency and durability in organic solar cells by nanometer-size metal particles
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18K04292
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
服藤 憲司 立命館大学, 理工学部, 教授 (60442472)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機太陽電池 / 電力変換効率 / 光照射耐久性 / 金ナノ粒子 / プラズモン効果 / 加熱処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ITO（アノード）/アノードバッファ層/銅フタロシアニン(CuPc, ドナー層)/フラーレン(C60, アクセプタ層)/バソクプロイン(BCP, カソードバッファ)/銀(カソード)の低分子型有機太陽電池を対象にし、アノードバッファ層となるペンタセン(3 nm)/薄膜金(0.3 nm)あるいは薄膜銀(0.5 nm)に対する１００℃程度の加熱処理が、光照射耐久性に及ぼす効果について実験的に調べた。
薄膜金を用いた場合には、電流－電圧特性上に目立った漏れ電流は観測されない。AFM像及びSEM像より、金原子の水平空間分布は一様であり、X線回折よりCuPc層の結晶乱れは小さい。TOF-SIMS分析により、薄膜金層からの金原子のCuPcやC60層への垂直拡散は限定的で、CuPcとC60層の界面で薄膜金層における最大値の0.8％程度である。３０秒周期で3秒間の模擬太陽光(AM1.5G)照射を１００回繰り返した後の、有機太陽電池の変換効率の低下に対する耐久性は、アノードバッファ層を挿入しない場合に比べて、７２％改善した。一方、薄膜銀を用いた場合には、耐久性は８８％程度改善するが、漏れ電流が目立ち、電極上には直径が8-20 nm程度の島状銀微粒子が散在し、表面凹凸が増加し、CuPc層の結晶乱れをもたらす。また、銀原子のCuPcやC60層への垂直拡散は、薄膜金を用いた場合に比べて１桁ほど多い。
ペンタセン層上の薄膜金は、CuPc層の膜形成に対する密で一様な核形成サイトを作り上げ、光照射による基板表面等の温度上昇で駆動されるドナー層中のボイド発生を抑え、良質膜を作り上げることが考えられる。これが、光照射耐久性改善の１つの要因であろう。ただし、ペンタセン層は加熱処理に弱く、１５０℃以上の加熱では正常動作せず、薄膜金や銀に対する、ナノサイズの島状金属粒の形状、面密度、サイズの加熱制御に制約がある。
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