2014 Fiscal Year Research-status Report
静電塗布法でナノ構造・pn混合比率を制御した高効率有機薄膜太陽電池
| Project/Area Number |
26420267
|
|---|
| Research Institution | Saitama University |
|---|
Principal Investigator |
福田 武司 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (40509121)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 静電塗布法 / マルチノズル / 酸化亜鉛ナノファイバー / 溶媒蒸発時間 / 結晶性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度は有機薄膜太陽電池の高効率化・長寿命化に必要な酸化亜鉛ナノファイバーの形状制御とこれを用いた逆型構造の高効率化を検討した。ここでは、ゾル-ゲル法の前駆体溶液（isopropylalchol、monoethanolamine、2-methoxy ethanol、zinc acetate）とpoly(vinylpyrrolidone（PVP）を混合した溶液を用いた。その結果、PVPの分子量が360,000以上で溶液の粘度が十分に高くなり、ファイバー構造の形成が可能であった。当初想定していたパルス電圧の導入では優位な差が得られなかったが、前駆体溶液とPVPの添加比率や濃度が酸化亜鉛ナノファイバーの形状との間に明確な相関関係を見出し、最小で20から30 nmの直径を有するナノファイバーの形成に成功した。また、通常の素子では変換効率が1.88%であったが、ナノファイバー構造を1、3、5分の噴霧時間で形成した場合にはそれぞれ2.03、2.26、2.41%となり、太陽電池特性を向上させることに成功した。通常の素子では初期の変換効率に対して一週間後に21.2%に減少してしまったが、本構造の素子では95.4%と優れた長期信頼性を得た。これに合わせて平成27年度実施予定の交互間欠静電塗布法の装置を構築し、溶媒蒸発時間も計算・実験両面から検討した。交互間欠静電塗布法では、p型材料（P3HT）とn型材料（PCBM）の溶液にそれぞれ印加するパルス電圧のパルス幅を制御することで、両者の混合比率を10～90%の範囲で制御することに成功した。一方、溶媒蒸発時間は液滴直径、溶液供給速度、基板温度などから数値計算を用いて見積もった。その結果、液滴蒸発時間が長くなるに従って、有機薄膜太陽電池の変換効率が向上することが分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初予定した酸化亜鉛ナノファイバーの形状制御は目標値（有機材料の励起子拡散長である10～20 nm）を達成し、それを用いた逆型有機薄膜太陽電池でもナノファイバー構造の優位性（変換効率の向上）を示すことに成功した。そのため、平成27年度に実施予定であった交互間欠静電塗布法や溶媒蒸発時間の制御による有機薄膜の結晶性制御にも取り組んだ。前者では新しく塗布装置を構築して、p/n混合率の制御を可能にして、スピンコート法を超える高い発電効率を得ることに成功した。また、後者では数値計算だけしか行えていないが、静電塗布プロセスに初めて溶媒蒸発時間というパラメータを導入して、この溶媒蒸発時間が太陽電池特性に与える影響を評価することに成功した。また、ラマンスペクトルの測定も行い、有機薄膜中の結晶性が溶媒蒸発時間に影響を受けることも見出した。以上のことから、平成26年度に実施予定の項目を達成しただけでなく、平成27年度の実施予定の内容についても先駆けて成果をだすことに成功した。以上のことから、現在までの達成度としては、当初の計画以上に進展していると自己評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
交互間欠静電塗布法に関しては、平成26年度に装置を組み上げたので、これを利用して深さ方向でのp/n混合比率を制御した有機薄膜の成膜技術の確立に取り組む。これまでの基礎検討の結果、成膜中に下地の有機層が溶けると太陽電池特性が悪化することが分かってきているので、光学顕微鏡を用いて成膜中の膜状態をリアルタイムで評価することで、この課題を解決する。また、深さ方向でのp/n混合比率の評価にはXPSを用いる。さらに、初期段階ではP3HT:PCBMの組み合わせを用いていくが、ある程度手法が確立した段階で高い発電効率を得られる市販材料を導入して、高効率化も合わせて実現する。二つ目の課題である溶媒蒸発時間の制御による太陽電池特性の向上については、光学顕微鏡で基板に着弾した液滴の観察が可能にしたので、この技術を用いて実際に溶媒が蒸発する速度を実験的に確認する。また、この溶媒蒸発時間と太陽電池特性の関係を改めて評価することで、平成26年度に検討した計算による手法との関係を見出していく。また、有機薄膜中の結晶化状態の評価にはラマンスペクトルを用いるが、データ解釈の手法を確立していく。最終的にはこれらの基礎的な知見を総合的に組み合わせて静電塗布法ならではの高い発電効率を有する有機薄膜太陽電池の製造プロセスを確立する。
|
