2014 Fiscal Year Annual Research Report
共蒸着膜のｐｎ制御による15%効率有機タンデム太陽電池の開発
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25286044
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
平本 昌宏 分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 教授 (20208854)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / ドーピング / pnホモ接合 / 多数キャリア / 内蔵電界 / 少数キャリア拡散距離 / イオン化アクセプター散乱 / セル抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、pn制御技術を、有機共蒸着膜に直接適用し、セルをドーピングのみで造り込み、高効率を目指す。H26年度、C60:H2Pc（フラーレン：フタロシアニン）共蒸着膜中に、ドーピングのみでpnホモ接合を形成し、n層のドナードーパント（炭酸セシウム）の濃度を50 ppmの一定に保ち、p層のアクセプタードーパント（有機ドーパント(TCNQ誘導体)）の濃度を0, 1, 10, 100, 1,000 ppmと系統的に変化させ、光電変換層へのドーピング効果を詳細に調べた。光電変換層へのドーピング効果の研究は世界的にも行なわれた例はない。驚くべきことに、１ ppmの極微量ドーピングでセル特性が大きく影響を受けることが分った。すなわち、0から1 ppmで、セルバルク全体に均一に起こる、多数キャリア（ホール）効果によるセル抵抗低下と曲線因子増大が連動して起こることを確認した。1から10 ppmで内蔵電界形成（pn接合形成）による光電流増大が連動して起こることを確認した。少数キャリア拡散距離も300 nm以上となり、500 nmの厚さのセルバルク全体が光電流発生に寄与していることを確認した。10から100 ppmで、ドーパントであるイオン化アクセプター散乱によるキャリア移動度低下のために、光電流減少が連動して起こることが明らかになった。このように、光電変換層へのドーピング効果をppmレベルの濃度領域に分けて、詳細に解明することができた。なお、C60:6T（フラーレン：セキシチオフェン）共蒸着中に対しても、ドーピングのみで、最単純n+pホモ接合を形成し、p層のアクセプター濃度を0,1,10,100 ppmと系統的に変化させた結果、上記メカニズムをサポートする、本質的に同じ結果を得ることができた。セル特性を向上させるには、10 ppm以下の極微量ドーピングを、キャリア移動度の高い有機半導体薄膜に応用する必要があると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
共蒸着膜のバルクにドーピングのみでpnホモ接合を形成し、1 ppmで多数キャリア効果によるセル抵抗低減、10 ppmで内蔵電界形成による光電流増大を観測できたことは、有機太陽電池の性能を、ppm極微量のドーピングで向上できる画期的な成果である。この成果に基づいて、今後、高性能セルの実現へ研究を進めることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H26年度の成果に基づき、10 ppm以下の極微量ドーピングによるpn制御を、特に、キャリア移動度の大きな有機半導体結晶性薄膜に応用し、効率向上を目指す。イオン化ドーパントイオンの散乱によるキャリア移動度の減少が観測されており、キャリア移動度を実測し、ドーピング濃度との関係を明確にする必要がある。その上で、最適のセル設計を行い、10%以上の効率向上を目指す。さらに、これらのユニットセルの成果にもとづいてタンデムセルに展開する。
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| Causes of Carryover |
人件費に支出予定であったが、今回の研究テーマに合致する人材を確保できなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
10 ppm以下の極微量ドーピングによるpn制御を行なった有機半導体結晶性薄膜によってセル特性向上を目指す方向性が明瞭になっており、最適のセル設計・製作を実現するため等に必要な消耗品、物品の購入に充てる。
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Research Products
(9 results)
