わずか1分子の電極コーティングが、有機太陽電池の性能を大幅に向上させることが、KAUSTの研究者らによって明らかにされた。このコーティングは、現在この用途に使われている主要な材料よりも性能が高く、発光ダイオードや光検出器など、有機分子に依存する他のデバイスの改良に道を開く可能性があります。研究成果 "高電離エネルギー自己組織化単分子膜を正孔抽出中間膜として用いた18.4 %有機薄膜太陽電池 " が、Chemistry-Sustainability-Energy-Materials Journalに掲載されました。
有機薄膜太陽電池（OPV）は、結晶シリコンで光を取り出す一般的な太陽電池とは異なり、炭素ベースの分子でできた光吸収層で光を取り込む。有機薄膜太陽電池は、シリコン系太陽電池に匹敵する性能はまだないが、印刷技術を用いれば、大規模な製造が容易で安価にできる可能性がある。
太陽電池に光が入射すると、そのエネルギーによってマイナスの電子が解放され、ホールのようなプラスの隙間が残る。そして、さまざまな材料が電子と正孔を集め、異なる電極に誘導して電流を発生させる。OPVでは、PEDOT.PSSと呼ばれる材料が広く使われている。PSSと呼ばれる材料が広く使われているが、PEDOT.PSSは高価で、酸性のため電極への移動が容易ではない。PSSは高価で、酸性のため、時間の経過とともに電池の性能を低下させる可能性がある。
KAUSTの研究チームは今回、PEDOT: PSSに代わるより優れた代替材料を開発しました。PSSの代替品を開発しました。Br-2PACzという正孔輸送分子をより薄くコーティングし、ITO（酸化インジウムスズ）電極に結合させて単一分子層を形成させるのである。Br-2PACzを用いた有機電池の電力変換効率は18.4%に達したが、PEDOT: PEDOT:PSSを用いた同等のセルが17.5%にとどまったのに対し、Br-2PACzを用いた有機セルは18.4%の電力変換効率を示した。
「この性能の高さには本当に驚きました」と、研究チームのメンバーで博士課程の学生であるYuanbao Linは言う。「私たちは、Br-2PACzがPEDOT:PSSに取って代わる可能性があると信じています。PSSは、低コストで高性能であるため、PEDOT:PSSに代わる可能性があると考えています。" Br-2PACzは、いくつかの方法でセルの効率を向上させました。ライバルと比較して、電気抵抗が少なく、正孔輸送が改善され、吸収層により多くの光を当てることができるようになったのです。Br-2PACzは、光吸収層自体の構造も改善した。この効果は、コーティング工程に関係していると考えられる。
このコーティングは、太陽電池のリサイクル性さえも向上させる可能性がある。研究者らは、ITO電極をセルから取り外してコーティングを剥がし、まるで新品のように再利用できることを発見した。一方、PEDOT: PSSはITOの表面を粗くするため、別のセルに再利用すると性能が低下する。本研究を率いたThomas Anthopoulosは、「OPVの経済性と環境の双方に劇的なインパクトを与えることが期待されます」と述べています。
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