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2023 年度 実施状況報告書

気相成長カーボンナノチューブフィルムを用いた大面積フレキシブル有機系太陽電池

研究課題

研究課題/領域番号 21KK0087
研究機関名古屋大学

研究代表者

松尾 豊  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00334243)

研究分担者 大塚 慶吾  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20823636)
林 昊升  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70910488) [辞退]
丸山 茂夫  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90209700)
研究期間 (年度) 2021-10-07 – 2027-03-31
キーワードカーボンナノチューブ / カーボンナノチューブ薄膜透明電極 / フラーレン / 有機薄膜太陽電池 / ペロブスカイト太陽電池 / スプレー塗布
研究実績の概要

カーボンナノチューブ薄膜透明電極を用いた有機薄膜太陽電池の大面積化の研究として,セミモジュールの作製に取り組んだ.金属裏面電極をカーボンナノチューブ薄膜透明電極に置き換え,37 mm角のセミモジュールの作製に成功した.エネルギー変換効率は,代表的な発電材料を用い約3%であった.今後は高効率な最新の発電材料を用いることにより,変換効率をさらに高めることができる.このセミモジュールは,インジウムスズ酸化物透明電極と,裏面にカーボンナノチューブ薄膜透明電極を用いた透光性のある有機薄膜太陽電池であり,しかも両面からの発電が可能である.そのような特徴の太陽電池としては,まずは満足のいく変換効率だと考えている.このセミモジュールについて,フレキシブル基板を用いたフレキシブルなセミモジュールの作製に成功した.特筆すべき点として,金属裏面電極をカーボンナノチューブ薄膜透明電極に代えることにより,耐久性が劇的に向上することが確認された.逆型有機薄膜太陽電池のセミモジュールでは,裏面電極として銀が用いられるが,銀は空気中の酸素で酸化され,酸化されて生成するAg+は,有機発電層材料を酸化し,寿命が不十分であった.それに対し,カーボンナノチューブ薄膜透明電極は酸化されず,むしろ高分子酸の溶液のスプレーにより積極的に酸化すると,カーボンナノチューブに正孔が注入され,腐食されないどころか変換効率の向上がみられた.また,10 cm角のセミモジュール,フレキシブルなセミモジュールの作製にも成功した.作製から半年後でも,封止なしでいまだに発電する画期的な有機系太陽電池となった.
また,挑戦的な課題として,カーボンナノチューブ薄膜透明電極のnドープに取り組んだ.ホスフィンやアミンによりnドープし,さらにフラーレン誘導体により保護膜を作ることにより,発電層から電子を捕集する側の電極として用いることを可能にした.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

カーボンナノチューブ薄膜透明電極を用いた有機薄膜太陽電池セミモジュール,および,nドープにより電子を捕集する側でもカーボンナノチューブ薄膜透明電極の使用を可能にしたことについて,それぞれ特許を申請した.カーボンナノチューブ薄膜を透明電極として用いることにより,耐久性が格段に向上することが確認された.現状のペロブスカイト太陽電池では耐久性が最大の問題となっており,大面積化すると裏面電極に金や銀などの裏面電極が使えず,カーボン系の電極を使う流れが出てきている.そこで本研究のカーボンナノチューブ薄膜透明電極は,ゲームチェンジャー的な要素となり得ると考えている.すなわち,カーボンナノチューブを用いているがゆえの透明性と高い伝導性があり,転写により貼り付けることができ,疎水性によりペロブスカイト層を保護する.金裏面電極のように金の拡散がなく,銀のようにペロブスカイト材料に含まれるヨウ素により酸化されない.それどころか,ヨウ素酸化による正孔の注入により,カーボンナノチューブの導電性が向上する.また,nドープはカーボンナノチューブ薄膜透明電極の鍵技術の一つとなり,それを達成できたことも大きい.

今後の研究の推進方策

有機薄膜太陽電池については,性能の高い発電材料の使用により,さらに変換効率を向上する.また,10 cm角両面発電セミモジュールを数多く作製し,社会実装の試験をする.カーボンナノチューブ薄膜透明電極の作製方法として,浮遊触媒を用いた化学気相成長法(ドライプロセス)のみならず,ウェットプロセスであるスプレー塗布,バーコート塗工,インクジェット印刷も検討する.いずれも国内の高い技術を適用でき,初期評価として既に良い感触を得ている.また,カーボンナノチューブ薄膜透明電極を用いたペロブスカイト太陽電池のセミモジュールの作製と大面積化にも注力する.上部電極にも下部電極にも用いられることを確認しているが,特に逆型ペロブスカイト太陽電池の上部電極(カソード)として使う研究に注力する.そのために理論研究も含めたカーボンナノチューブ薄膜のnドープの研究を進める.順型ペロブスカイト太陽電池の上部電極(アノード)には問題無く使用できることを確認している.また,シリコン/ペロブスカイトタンデム型太陽電池の上部電極としてカーボンナノチューブ薄膜透明電極を用いる研究を開始しており,これに注力する.アールト大学(フィンランド)のエスコ・カウピネン教授の研究室に滞在し,最新の導電性の高いカーボンナノチューブ薄膜透明電極を作製し,研究を加速する.

次年度使用額が生じた理由

Haosheng Lin助教のフィンランド滞在が予定されていたが,退職,帰国し,本研究からも離脱したため,次年度使用額が生じた.なお,次年度使用額は約38万円であり,次年度で有効に活用する.

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 13件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (2件) 産業財産権 (3件)

  • [国際共同研究] アールト大学(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      アールト大学
  • [雑誌論文] Evaporable Fullerene Indanones with Controlled Amorphous Morphology as Electron Transport Layers for Inverted Perovskite Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Shui Qing-Jun、Shan Shiqi、Zhai Yong-Chang、Aoyagi Shinobu、Izawa Seiichiro、Huda Miftakhul、Yu Chu-Yang、Zuo Lijian、Chen Hongzheng、Lin Hao-Sheng、Matsuo Yutaka
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 ページ: 27307~27315

    • DOI

      10.1021/jacs.3c07192

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaporable Indano[60]fullerene Ketone for the Electron Transport Layer of Inverted Perovskite Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Yutaka、Ishikawa Soma、Amada Hirofumi、Yokoyama Kento、Shui Qing-jun、Huda Miftakhul、Ueoka Naoki、Lin Hao-Sheng
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 52 ページ: 685~687

    • DOI

      10.1246/cl.230217

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cationic nitrogen-doped graphene coated silver as low-work function electrode for inverted perovskite solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yokoyama Kento、Lin Hao-Sheng、Shui Qing-Jun、Wang Xiaoyang、Saito Nagahiro、Matsuo Yutaka
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 081001~081001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acea18

    • 査読あり
  • [雑誌論文] カーボンナノチューブ薄膜電極を用いた有機薄膜太陽電池セミモジュール2023

    • 著者名/発表者名
      大岩 詩門,松尾 豊
    • 雑誌名

      車載テクノロジー

      巻: 10 ページ: 58~61

  • [学会発表] カーボンナノチューブ薄膜透明電極を用いた有機薄膜太陽電池2024

    • 著者名/発表者名
      松尾 豊
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会 一般公開シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Low-Temperature Synthesis of Linear Carbon Chain inside Single-Walled Carbon Nanotubes2024

    • 著者名/発表者名
      X. Qiu, B. Zhang, Q. Hu, Y. Feng, A. Fito Parera, I. Kohata, Y. Zheng, Y. Wang, Y. Matsuo, T. Tanaka, H. Kataura, S. Chiashi, R. Xiang, D. Levshov, S. Cambre, W. Wenseleers, S. V. Rotkin, K. Otsuka, S. Maruyama
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Organic Solar Cells Utilizing Functionalized Nanocarbon Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      SIPS2023 (Luis Echegoyen International Symposium)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 真空蒸着が可能なフラーレン誘導体2023

    • 著者名/発表者名
      松尾 豊, Qing-Jun Shui, 天田 裕文, Yongchang Zhai, Hao-Sheng Lin
    • 学会等名
      第33回基礎有機化学討論会
  • [学会発表] Evaporable Fullerene Indanones with Controlled Amorphous Morphology as Electron Transporters for Inverted Perovskite Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Matsuo, Qing-Jun Shui, Hirofumi Amada, Shinobu Aoyagi, Yong-Chang Zhai, Hao-Sheng Lin
    • 学会等名
      The 65th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Inverted Organic Solar Cells with Single-walled Carbon Nanotubes Transparent Electrode as Cathode2023

    • 著者名/発表者名
      Dan Yamazaki, Shimon Ohiwa, Hisayoshi Oshima, Naoki Ueoka, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication and characterization of perovskite solar cells with p-doped carbon nanotubes electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Ueoka, Achmad Syarif Hidayat, Hisayoshi Oshima, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Isolation of intermediates for investigation of reaction mechanism in the synthesis of evaporable fullerene derivatives2023

    • 著者名/発表者名
      Hirofumi Amada, Shui Qing-Jun , Zhai Yong-Chang , Kazuhira Miwa, Lin Haosheng, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of Semi-module Organic Solar Cells Using Transparent Carbon Nanotubes Thin-film Electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Shimon Oiwa, Hisayoshi Oshima, Naoki Ueoka, Miftakhul Huda, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Cationic nitrogen-doped graphene-modified silver as low-work function electrodes for efficient inverted perovskite solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Yokoyama, Nagahiro Saito, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-temperature Synthesis of Linear Carbon Chain inside Single-walled Carbon Nanotubes2023

    • 著者名/発表者名
      Bowen Zhang, Xiyang Qiu, Qingmei Hu, Ya Feng, Aina Fito Parera, Yongjia Zheng, Yu-Huang Wang, Yutaka Matsuo, Shohei Chiashi, Rong Xiang, Sofie Cambre, Wim Wenseleers, Slava Rotkin, Keigo Otsuka, Shigeo Maruyama
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of evaporable fullerene indanone thione from fullerene ketone using Lawesson's reagent and the application in organic solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Yongchang Zhai, Shimon Oiwa, Shinobu Aoyagi, Shohei Ohno, Tsubasa Mikie, Junzhuo Wang, Hirofumi Amada, Koki Yamanaka, Kazuhira Miwa, Itaru Osaka, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Carbon Nanotube Films p-Doped with Poly(p-styrene-sulfonic acid) for Transparent Conductive Electrodes in Organic Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Yagisawa, Naoumi Hasumi, Suguru Noda, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Cyanine Dye-doped SWCNTs as Top Electrode for Hole Transport Layer-free Perovskite Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Mange Cai, Arina Watanabe, Achmad Syarif Hidayat, Shimon Oiwa, Miftakhul Huda, Kimitaka Higuchi, Esko I. Kauppinen, Kazumasa Funabiki, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] N-type doping of SWCNT electrode using organophosphorus compound for electron transporting layer in inverted perovskite solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Achmad Syarif Hidayat, Naoki Ueoka, Hisayoshi Oshima, Yutaka Matsuo
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] One-dimensional van der Waals heterostructures as the active layer material of solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      Bo-wen Zhang, Xi-yang Qiu, Shu-hui Wang, Yong-jia Zheng, Esko I. Kauppinen, Shohei Chiashi, Yutaka Matsuo, Rong Xiang, Keigo Otsuka, Shigeo Maruyama
    • 学会等名
      The 23rd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials (NT23)
    • 国際学会
  • [図書] 有機半導体の開発と最新動向(分担:半導体単層カーボンナノチューブを正孔輸送層に添加した有機薄膜太陽電池, P279-286)2024

    • 著者名/発表者名
      安達千波矢 監修(分担:松尾 豊)
    • 総ページ数
      400
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1763-2
  • [備考] 真空蒸着が可能なフラーレン誘導体を用いた高耐久性ペロブスカイト太陽電池

    • URL

      https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2023/12/post-604.html

  • [備考] あなたならどう使いたい? 「きっと楽しい」向こうが見える太陽電池

    • URL

      https://note.com/nagoya_ura/n/n603a25a5e4e9

  • [産業財産権] フラーレン誘導体、フラーレン誘導体の製造方法、薄膜、光電変換素子及び固体撮像装置2024

    • 発明者名
      松尾 豊,五十嵐 威史
    • 権利者名
      東海国立大学機構,株式会社レゾナック
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2024-026428
  • [産業財産権] 有機太陽電池モジュール2024

    • 発明者名
      松尾豊,表研次,才田守彦,奥寺文吾,大島久純,大岩詩門
    • 権利者名
      東海国立大学機構,デザインソーラー株式会社
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2024-031978
  • [産業財産権] 太陽電池2024

    • 発明者名
      松尾豊,大島久純,上岡直樹,HIDAYAT A. S.,土方啓暢
    • 権利者名
      東海国立大学機構,株式会社デンソー
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2024-032056

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公開日: 2024-12-25  

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