課題番号 ：S-17-JI-0007
利用形態 ：技術代行支援
利用課題名（日本語） ：新規色素を用いた有機薄膜太陽電池の電子状態の解明と高効率化
Program Title (English) ：Elucidation and of Electronic States and High-Efficiency of Organic Thin-Film Solar Cells Including New Dye Materials
利用者名（日本語） ：大久保貴志
Username (English) ：T. Okubo
所属名（日本語） ：近畿大学理工学部
Affiliation (English) ：Faculty of Science and Engineering, Kindai Univ.

１．概要（Summary ）
　有機薄膜太陽電池は貴金属を使用しない環境に優しい軽くフレキシブルな太陽電池である。この有機薄膜太陽電池はプラスチック基板上にロール・ツー・ロールなどの低温印刷プロセスを利用することで安価に大量生産できるため、将来的にはユビキタスな電源装置としての幅広い用途への応用が期待されている。しかしながら、実際の光電変換効率はシリコン太陽電池の半分以下であり、実用化に向けては更なる高効率化が必要不可欠である。この様な中、最近新たな有機半導体を加えた三元系有機薄膜太陽電池が注目されている。これまで有機薄膜太陽電池は主に、チオフェンを骨格に含むp型半導体ポリマーとフラーレン誘導体に代表されるn型半導体からなる二元系太陽電池が主流であったが、最近ではより可視領域の強い吸収を有するnon-fullereneアクセプターなどを導入した三元系太陽電池が注目され、実際に14%を超える高効率太陽電池（H. Lee et al., Science Bulletin, 2018, 63, 340.）も実現している。本研究では新たな発光性有機分子を含む三元系薄膜太陽電池の開発を行っており、今回発光性有機分子の電子状態を明らかにすることを目的に理研計器製AC-2を用いて光電子分光測定を実施した。

２．実験（Experimental）
　三元系有機薄膜太陽電池を開発する上で重要なHOMOおよびLUMO準位を決定するために種々の発光性有機分子および金属錯体に関して理研計器製AC-2を用いて光電子分光測定を行った。また、発光性有機分子や金属錯体を添加した有機薄膜太陽電池を作製し、その光電変換特性を評価した。

３．結果と考察（Results and Discussion）
　図１は今回光電子分光測定を行った分子のうちの一つであり、近畿大学の山口仁宏教授の研究室で合成されたチオフェンとベンゾチアジアゾールからなる発光性有機分子TDBTBと、その光電子分光スペクトルである。この結果と吸収スペクトルの測定より得られた結果から、TDBTBのHOMOが-5.58 eV、LUMOが-3.10 eVと結論づけた。

図１，TDBTBの光電子分光スペクトル

　次にp型半導体PTB7とn型半導体PC71BMおよびTDBTBを添加した有機薄膜太陽電池（図２）を作製した。ここで、TDBTBのHOMO準位がPTB7およびPC71BMのHOMOの間に位置するのに対して、LUMO準位はPTB7およびPC71BMよりも高かったため、TDBTBを弱いドナーと考え、アクセプターであるPC71BM の重量を固定し、PTB7とTDBTBの重量比を変化させた素子を作製し、その光電変換特性を評価した。図３はその電流密度J-電圧V曲線であり、表１はそれぞれの特性評価パラメータである。短絡電流密度JSCはTDBTBを10%添加することで上昇するものの、更に添加量を増やすと減少してしまった。開放電圧VOCはTDBTBを添加するに従い、僅かながら上昇傾向が見られた。曲率因子FFに関しては添加による優位な差は見られなかった。結果として、PTB7に対してTDBTBを10%添加した素子が最も高い効率を示した。これは少量のTDBTBの添加に伴いTDBTBの光吸収によって生成するキャリアが増大するものの、TDBTB を更に添加すると、TDBTBに対してPTB7の存在量が減少し、短絡電流密度と光電変換特性の減少を引き起こしたものと考えている。

図２，TDBTBを添加した有機薄膜太陽電池に用いた分子の構造と素子構造

図３，TDBTBを添加した有機薄膜太陽電池のJ-V曲線

表１，TDBTBを添加した有機薄膜太陽電池の特性

４．その他・特記事項（Others）
　今回、光電子分光の実際の測定において北陸先端科学技術大学院大学の村上達也博士および木村一郎博士に大変お世話になりました。この場を借りて感謝申し上げます。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) H. Himoto, S. Suzuki, T. Okubo, M. Maekawa, T. Kuroda-Sowa, New J. Chem. 2018, 42, 3995-3998.
(2) T. Okubo, K. Himoto, M. Maekawa, T. Kuroda-Sowa, 6th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC), 平成29年7月27日.
(3) K. Nakamura, T. Okubo, M. Maekawa, T. Kuroda-Sowa, 6th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC), 平成29年7月25日.
(4) K. Himoto, T. Okubo, M. Maekawa, T. Kuroda-Sowa, 6th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC), 平成29年7月25日.
(5) 堀井俊也、大久保貴志、前川雅彦、黒田孝義, 第78回応用物理学会秋季学術講演会, 平成29年9月6日.
(6) 樋元健人、大久保貴志、前川雅彦、黒田孝義, 第78回応用物理学会秋季学術講演会, 平成29年9月7日.
(7) 中村加奈、大久保貴志、前川雅彦、黒田孝義, 第78回応用物理学会秋季学術講演会, 平成29年9月5日.

６．関連特許（Patent）
なし