| 研究課題/領域番号 |
15K05403
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
島崎 智実 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究機構, 研究員 (40551544)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 有機薄膜太陽電池 / 電化分離過程 / 変換効率 |
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| 研究実績の概要 |
近年、有機薄膜太陽電池はシリコン等の無機系太陽電池を代替・補完するものとして注目を集めている。有機薄膜太陽電池はシリコン型太陽電池と比べると、製造コストも安く、ロール形状の太陽電池を製造する等の技術により大量生産も可能である。また、軽量かつフレキシブルな特性があることから、建築の屋根材や外壁材といった従来の無機系太陽電池とは異なった利用方法や、有機化合物の多様性を生かした新規なデバイス開発が期待されている。ただし、実用化にはエネルギー変換効率の一層の向上が望まれている。そのためにはメカニズムを解明し、開発・設計に生かす必要がある。
変換効率を上げるためには、有機薄膜太陽電池のミクロスコピックな動作に基づいたシミュレーション手法の開発は不可欠である。特に、電荷分離過程の基礎的なシミュレーション法が整備されていなかったことが、有機薄膜太陽電池の全体のシミュレーションを行うことを妨げていた。Onsagerらの従来シミュレーション手法では、外部電場が電荷分離のためのドライビングフォースとして仮定されており、バンドオフセット(hot state)やデバイスの次元性の影響を適切に取り扱えていなかった。そこで、本プロジェクトではそれらを扱えるシミュレーション手法を開発することを目的としている。また、デバイス全体の動作を扱える方法論、シュミレータの開発を行うことを目的としている。これまでの研究結果により、当初目標としていた事柄は概ね達成されたと考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
これまでプロジェクトにおいて、その収率をシミュレーションできる方法を開発してきた。本年度では、残りのミクロスコピックな過程についても収率を計算するための計算方法を開発し、マクロスコピックな現象を扱うためのダイオードモデルと組み合わせた。さらに、開発した手法を用いることによって、有機薄膜太陽電池のデバイス特性に関するシミュレーションを行った。結果、hot CT状態とアクセプター材料の次元性がデバイスの性能を向上させるための重要な働きをしていることを見出した。
本年度は、有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率をシミュレーションするための方法論を構築し、そのためのプログラムを作成した。開発を行った手法は有機薄膜太陽電池のダイオードモデルをベースとしているが、hot Charge Transfer (CT) 状態を扱えるようにモデルを拡張した。さらに、有機薄膜太陽電池のミクロスコピックな現象とマクロスコピックな指標を結合できるように方法論を構築した。有機薄膜太陽電池のミクロスコピックなプロセスは次の4つのプロセスに大別できる： 1) 太陽光の吸収、2) 光子吸収によって発生したエキシトンのドナー・アクセプター界面への拡散、3) 界面での電子（電荷）移動、そして、4)電子と正孔（エキシトン）の分離。最後のエキシトン分離過程については、これまでプロジェクトにおいて、その収率をシミュレーションできる方法を開発してきた。本年度では、残りのミクロスコピックな過程についても収率を計算するための計算方法を開発し、マクロスコピックな現象を扱うためのダイオードモデルと組み合わせた。さらに、開発した手法を用いることによって、有機薄膜太陽電池のデバイス特性に関するシミュレーションを行った。結果、hot状態とアクセプター材料の次元性がデバイスの性能を向上させるために重要な働きをしていることを見出した。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究により、デバイス全体の動作をコンピュータ上で解析できるようになってきた。また、高効率な有機薄膜太陽電池の中で用いられることの多いバルクヘテロジャンクション構造がデバイス性能に特に強い影響が与えることが判明した。その中でも特に、メゾスコピックスケールの構造が電荷分離過程に強い影響を与えることが明らかになった。今後は、メゾスコピック構造がデバイス性能に与える影響の詳細を明らかにすることを中心として研究を行っていく。また、これまでに判明してきたことを国際ジャーナル等で発表していくことを予定している。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
これまでの研究の結果、高効率な有機薄膜太陽電池にしばしば採用されるバルクヘテロジャンクション構造とデバイス性能の関係性が明らかになりつつある。特にメゾスコピックスケールの構造がデバイス性能に与える影響が明らかになってきた。この研究成果を国際ジャーナルで発表するために次年度への予算の繰越を行った。
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