筑波大など、有機薄膜太陽電池用材料を安価で高純度精製できる合成法を開発

筑波大学と物質・材料研究機構(NIMS)は2月10日、有機薄膜太陽電池に用いる高分子材料の新たな合成手法を開発し、高い純度を有する材料を簡便に得ることに成功したと発表した。

同成果は、同大 数理物質系の桑原純平講師、神原貴樹教授、NIMS 太陽光発電材料ユニットの安田剛主任研究員らによるもの。詳細は、「Advanced Functional Materials」オンライン版に掲載された。

有機薄膜太陽電池は、軽量、フレキシブル、低コストという特徴から、次世代の太陽電池として注目されている。近年、その発展は目覚ましく、変換効率が10%を超える報告もある。しかし、すでに実用化されている無機材料を使用した太陽電池と比較すると、変換効率や耐久性の面で改善の余地を残している。そのため、有機薄膜太陽電池の特性向上を目指した材料開発やデバイス構造の最適化が盛んに進められている。

有機薄膜太陽電池の発電を担う部分には、一般的にフラーレン誘導体とπ共役高分子を混合したものが用いられている。太陽光を良く吸収し、効率よく発電できる材料の開発を目指して、様々な構造の化合物が合成されてきた。これらの研究の蓄積により、太陽電池材料に適した構造が明らかになってきている。一方で、材料の純度向上も重要な課題となっている。材料に含まれる不純物が変換効率を低下させ、さらに、素子の劣化を引き起こすためである。高い純度の化合物を得るためには、合成の後に入念な精製操作が必要となる。将来的に有機薄膜太陽電池が広く実用化されるためには、材料を低コストで大量生産する必要があり、簡単な精製操作で高い純度の材料を製造することが求められる。

その手段の1つとして、合成方法を抜本的に見直すことで反応によって生じる不純物の量を低減することが考えられる。分離すべき不純物が少なければ、精製操作が簡単になり、生産プロセスを低コスト化できる。有機薄膜太陽電池の材料であるπ共役系高分子は、これまで主にクロスカップリング反応を用いて合成されてきた。この手法は適応範囲が広く様々な高分子の合成が可能であるため、有機薄膜太陽電池の発展に欠かせない技術である。その一方で、スズやホウ素、リンなどを含む不純物が副生されるため、反応後にそれらを除去する必要がある。

これに対し、研究グループは、π共役系高分子の合成において、クロスカップリング反応の代替として新しいカップリング反応を用いる手法を開発し、高純度の高分子を簡便に合成することに成功した。同方法では、反応剤のC-H結合を反応点とするカップリング反応を用いるため、従来のクロスカップリング法では必須であったホウ素化合物などを必要としない。さらに、反応条件の検討を行い、リン化合物の添加も不要な合成法を確立した。これによって、生成物である高分子にホウ素やリンなどの不純物が残存する懸念が抜本的に解消された。次に、期待通りに高分子の純度が向上しているかを、従来法で合成した高分子と比較することで検証したところ、元素分析や微量分析の結果から、同じ精製方法であっても、新規合成法によって得られた高分子が高純度であることが明らかになった。

また、この高純度高分子を実際に太陽電池の材料として評価したところ、4%の光電変換効率が得られた。従来法で合成した同じ骨格の高分子を用いた場合の変換効率は0.5%であることから、材料の純度の高さが太陽電池特性の向上に大きく寄与していると考えられる。さらに、連続光照射下での変換効率の経時変化を追跡したところ、高純度材料を用いると素子が長寿命化することを見出したという。

今回の不純物の種類や量を低減できる合成方法により、簡単な精製操作で高い純度の高分子を得ることが可能になった。同方法を用いて、高い変換効率を示す最先端材料を高純度で合成すれば、さらに変換効率を向上させることが可能になる。また、反応効率や生成プロセスなどの面で大量生産にも適した合成手法であることから、新たな製造技術としての活用も期待されるとコメントしている。