有機半導体の状態密度分布の制御による低照度下でも高効率な太陽電池の創成

通过控制有机半导体的态密度分布，即使在低照度下也能创建高效太阳能电池

基本信息

批准号：
22K05262
负责人：
中野恭兵
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，光量によらずに高い光電変換効率を示す有機薄膜太陽電池の創成を目標とし，有機半導体の状態密度分布エンジニアリングでその実現を目指す。昨年度は、有機半導体の状態密度分布を超高感度に計測する手法を用いて、状態密度分布の幅が電界効果トランジスタの特性をどのように決めるのかを明らかにした。高分子半導体の電荷移動度は状態密度の幅が狭くなるほど高くなることが見出された。したがって、太陽電池中で効率的に電荷を取り出すためには、高分子電子ドナー材料の状態密度分布幅を狭く(＝移動度を高く)する方針が適当である。この結果はSmall誌にて報告した（DOI:10.1002/smll.202205570）。高効率な有機太陽電池の光電変換特性を光強度を変えながら測定した。短絡電流は光強度に線形に依存する自然なふるまいを示した。一方、開放電圧とフィルファクタは光強度が減少すると急激に減少した。開放電圧と照射光強度の間には指数関数的な依存性があるが、光量が弱くなったある時点からこの依存性から外れ、大きく減少する。この原因は、光強度が弱い時に光が作る電流と、暗状態で半導体中を流れる電流が同程度になるためである。言い換えると、太陽電池におけるシャント抵抗が不足している、もしくは不要なリーク電流が大きい。このリーク電流を低減すれば、低光強度下でも開放電圧・フィルファクタの大幅な減少が避けられるはずである。このリーク電流の原因が半導体材料の内因的な特性にあるのか、それとも素子構造に依存した外因的なものなのか検証しているところである。

这项研究的目标是创造一种无论光量如何都表现出高光电转换效率的有机薄膜太阳能电池，并旨在通过有机半导体的态密度分布工程来实现这一目标。去年，我们使用超灵敏方法测量了有机半导体的态密度分布，以阐明态密度分布的宽度如何决定场效应晶体管的特性。已经发现，聚合物半导体的电荷迁移率随着态密度宽度变窄而增加。因此，为了有效地提取太阳能电池中的电荷，适当的是缩小聚合物电子给体材料的状态密度分布宽度(＝增加迁移率)。这些结果发表在 Small 杂志上 (DOI:10.1002/smll.202205570)。在改变光强度的同时测量高效有机太阳能电池的光电转换特性。短路电流表现出与光强度线性相关的自然行为。另一方面，随着光强度的降低，开路电压和填充因子迅速降低。开路电压与照射光强度之间存在指数依赖性，但在光强度变弱的某个点上，这种依赖性偏离了这种依赖性并显着减小。其原因是光强度较低时光产生的电流与暗态下流过半导体的电流大致相同。换句话说，太阳能电池中的分流电阻不足，或者不必要的漏电流很大。通过减少这种漏电流，即使在低光强度下，也应该可以避免开路电压和填充因子的显着下降。我们目前正在验证这种漏电流的原因是否是由于半导体材料的固有特性，或者是否是取决于器件结构的外在因素。