自然科学研究機構 分子科学研究所(IMS)の平本昌宏教授と総合研究大学院大学(総研大)物理科学研究科博士課程学生の石山仁大氏らの研究グループは、ドーピング技術により、有機薄膜太陽電池の共蒸着膜の特性を、n型、絶縁体型、p型と自在に制御することに成功した。

Si結晶系の太陽電池は、n型およびp型の半導体に関する基礎科学が確立されているため、エネルギーバンド構造を理論的に導くことが可能で、それに基づいて電池の設計と性能予測が可能だ。しかし、有機太陽電池では、そうした基礎科学的な研究が十分行われておらず、その結果、電池の性能を設計、予測して製造するためには、有機太陽電池の電圧の起源(内蔵電源)を生み出す有機半導体の基礎的な研究が必要とされていた。

平本教授は、2011年3月に、代表的なn型有機半導体であるフラーレン(C60)にモリブデン酸化物(MoO3)を共蒸着によりドープし、p型になることを示しており、これにより、有機太陽電池も無機系太陽電池のように、設計した性能のものを制御可能な方法で製造することができることが示された。

単独C60では光電流の大きさが小さく、実用レベルの光エネルギーの変換効率の向上を目指すためには、現在主流で実用的光電流量を発生できる、アクセプター性のC60とドナー性の有機半導体(例えば、今回のアルファセキシチオフェン)の共蒸着膜に対して直接高精度のドーピングによるpn制御を確立する必要があった。しかし、三元蒸着やppmドーピングという、有機半導体に対してこれまでに例のない高度な技術を開発する必要があり、これまで誰も成功していなかった。

今回、研究グループは、n型の有機半導体であるフラーレン分子(C60)と、流れる光電流を増加させることが知られているアルファセキチオフェン(α-6T、または6T)の共蒸着膜に対して、ドーパントとしてモリブデン酸化物(MoO3)を同時に蒸着する三元蒸着により、ドープされた共蒸着薄膜を作製した。

三元蒸着によるモリブデン酸化物(MoO3)のドーピング

今回、MoO3の蒸着速度を精密に制御、つまりゆっくりとした速度で蒸着する手法を確立したで、蒸着膜の膜厚が正確に制御できるようになり、ドーピング濃度をppmレベルで自在に操ることができるようになり、MoO3が20ppmでもドーピングを精密に行うことに成功した。

ドーピングのメカニズムのモデル図。C60と6Tは両方ともp型として働く

この手法により、MoO3ドープ濃度が、0ppm、400ppm、600ppm、1100ppm、4300ppmの薄膜を作製し、光を照射したときに生じる電流を測定したところ、ドープ濃度が0ppmと400ppmのときはn型、600ppmのときは絶縁体類似型、1100ppmと4300ppmのときはp型の構造となることが判明した。

さまざまなMoO3ドープ濃度での蒸着薄膜を作製

この結果は、ドーピング技術により、共蒸着膜の特性を、n型、絶縁体型、p型と自在に制御できることを世界で初めて示したものであるという。

さまざまなMoO3ドープ濃度での蒸着薄膜の特性。0ppmと400ppmのときはn型、600ppmのときは絶縁体類似型、1100ppmと4300ppmのときはp型

また、p型層にMoO3ドープ濃度が3000ppmの共蒸着膜を用い、疑似n型層としてドープしないものを用いて、疑似pn電池も作製したという。

疑似pn電池の構造と電池の性能

n型、p型、絶縁体型は、太陽電池の設計の基本的パーツであり、今回の成果は、有機太陽電池も無機系太陽電池のpn接合、pin接合、タンデム接合などのように、設計した性能予測可能な太陽電池を制御可能な方法で製造することができるという基盤技術の1つが確立されたことを意味する。また、今回確立された手法は、今回の実験で使用した物質以外にも普遍的に適用ができるため、6Tに代わる、より効果的な物質を探索し、その物質に適用することでさらに変換効率の向上が期待できると研究グループでは説明している。