有機太陽電池
図1. プラスチック太陽電池の概略図。PET –ポリエチレンテレフタレート、ITO –インジウムスズ酸化物、PEDOT:PSS –ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、活性層（通常はポリマーとフラーレンの混合物）、Al –アルミニウム。

有機太陽電池（OSC [ 1 ]）またはプラスチック太陽電池は、導電性有機ポリマーまたは小さな有機分子を扱うエレクトロニクスの一分野である有機エレクトロニクス [ 2 ] を用いて、光吸収と電荷輸送により太陽光から光起電力効果によって電気を生成する太陽光発電の一種です。ほとんどの有機太陽電池はポリマー太陽電池です。

図2. Solarmer社が製造した有機太陽電池。

有機太陽電池に使用される分子は、高スループットで溶液処理可能であり、安価であるため、大量生産時の生産コストが低く抑えられます。[ 3 ]有機分子の柔軟性と組み合わせると、有機太陽電池は、光起電力用途において潜在的に費用対効果の高いものになります。[ 4 ]分子工学 (ポリマーの長さや官能基の変更など) によりバンドギャップを変更でき、電子的な調整が可能になります。有機分子の光吸収係数は高いため、通常は数百ナノメートル程度の少量の材料で大量の光を吸収できます。有機光起電力セルに関連する主な欠点は、シリコン太陽電池などの無機光起電力セルと比較して、効率が低く、安定性が低く、強度が低いことです。

シリコンベースのデバイスと比較して、ポリマー太陽電池は軽量（小型の自律センサーにとって重要）、使い捨て可能、製造コストが安価（プリンテッドエレクトロニクスを用いる場合もある）、柔軟性、分子レベルでのカスタマイズ性、そして環境への悪影響の少なさといった利点があります。また、ポリマー太陽電池は透明性も備えているため、窓、壁、フレキシブルエレクトロニクスなどへの応用が期待されます。図1にデバイス例を示します。ポリマー太陽電池の欠点も深刻です。ポリマー太陽電池は、硬質材料の約3分の1の効率しかなく、光化学的劣化が顕著です。[ 5 ]

ポリマー太陽電池は、安定性の問題[ 6 ]と低コスト[ 7 ]、そして効率向上の可能性[ 8 ]が相まって、太陽電池研究の注目分野となっています。2015年には、タンデム構造のポリマー太陽電池で10%を超える効率が達成されました[ 9 ] 。2023年には、香港理工大学が19.3%という新たな記録を樹立しました[ 10 ]。

物理

図3：有機太陽電池材料の例

光起電力セルは、光を直流(DC) 電気に変換する特殊な半導体ダイオードです。光吸収材料のバンドギャップに応じて、光起電力セルは、低エネルギーの赤外線(IR) 光子、または高エネルギーの紫外線(UV)光子をDC 電気に変換することもできます。光起電力の光吸収材料として使用される小分子とポリマー(図 3)の共通の特性は、すべてが大きな共役系を持っていることです。共役系は、炭素原子が交互に単結合と二重結合で共有結合する場所で形成されます。これらの炭化水素の電子pz 軌道は非局在化し、π*反結合軌道を持つ非局在結合 π 軌道を形成します。非局在化した π 軌道は最高被占分子軌道 ( HOMO ) であり、 π* 軌道は最低空分子軌道 ( LUMO ) です。有機半導体物理学では、HOMOは価電子帯の役割を担い、LUMOは伝導帯として機能します。HOMOとLUMOのエネルギー準位間のエネルギー差は有機電子材料のバンドギャップと考えられており、通常は1～4 eVの範囲です。[ 11 ]

材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを持つ光はすべて吸収できますが、バンドギャップを小さくすることにはトレードオフがあります。バンドギャップよりも高いエネルギーで吸収された光子は余分なエネルギーを熱的に放出し、その結果、電圧と電力変換効率が低下します。これらの材料が光子を吸収すると、励起状態が生成され、分子またはポリマー鎖の領域に閉じ込められます。励起状態は励起子、つまり静電相互作用によって結合した電子と正孔の対と見なすことができます。光起電力セルでは、励起子は有効電場によって自由な電子と正孔の対に分解されます。有効電場は、2つの異なる材料の間にヘテロ接合を作ることで設定されます。有機光起電力では、有効電場によって電子が吸収体の伝導帯からアクセプター分子の伝導帯に落ち込むことで励起子が分解されます。アクセプター材料の伝導帯端は、吸収体材料の伝導帯端よりも低くする必要があります。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

図4:フラーレン分子 に囲まれた拡散ポーラロンを持つポリマー鎖

ポリマー太陽電池は通常、インジウムスズ酸化物（ITO）導電性ガラス上に電子または正孔ブロッキング層、その上に電子供与体と電子受容体（バルクヘテロ接合太陽電池の場合）、正孔または電子ブロッキング層、そしてその上に金属電極が積層された構造となっている。ブロッキング層の性質と配置順序、そして金属電極の性質は、セルが通常のデバイス構造を採用しているか、逆構造を採用しているかによって異なる。逆構造セルでは、正極と負極が逆になっているため、電荷は通常のデバイスとは逆方向にデバイスから排出される。逆構造セルは、より適切な材料からカソードを形成できるため、逆構造OPVは通常構造OPVよりも長寿命で、従来型のOPVよりも高い効率を示すことが多い。[ 16 ]

バルクヘテロ接合ポリマー太陽電池では、光によって励起子が生成されます。その後、デバイスの活性層内の電子ドナーとアクセプターの混合体間の界面で電荷分離が起こります。これらの電荷はデバイスの電極へと輸送され、そこでセル外に流れ出て仕事をした後、反対側からデバイス内に戻ります。セルの効率はいくつかの要因、特に非ジェミネート再結合によって制限されます。正孔移動度が高いほど、活性層を介した伝導が速くなります。[ 17 ] [ 18 ]

有機太陽電池は、半導体p-n接合ではなく、電子供与性材料と電子受容体材料で作られています。有機太陽電池の電子供与性領域を形成する分子は、励起子電子正孔対が生成される場所で、一般的には共役ポリマーであり、炭素p軌道の混成によって生じる非局在化π電子を有しています。これらのπ電子は、分子の最高被占軌道（HOMO）から最低空軌道（LUMO）への可視スペクトル領域またはその近傍の光によって励起され、π-π*遷移として表されます。これらの軌道間のエネルギーバンドギャップによって、吸収できる光の波長が決まります。

バンド構造と非局在化した電子を持つ無機結晶系太陽電池材料とは異なり、有機太陽電池の励起子は0.1～1.4 eVのエネルギーで強く結合しています。この強い結合は、有機分子の電子波動関数がより局在化し、静電引力によって電子と正孔が励起子として結合しているために発生します。電子と正孔は、電子の化学ポテンシャルが低下する界面を設けることで解離できます。光子を吸収する物質はドナー、電子を受け取る物質はアクセプターと呼ばれます。図3では、ポリマー鎖がドナー、フラーレンがアクセプターです。解離後も、電子と正孔は「ジェミネートペア」として結合している場合があり、その場合は電界によって分離する必要があります。電子と正孔は、接触部で収集される必要があります。電荷キャリアの移動度が不十分な場合、キャリアはコンタクトに到達せず、トラップサイトで再結合するか、デバイス内に不要な空間電荷として残留し、新しいキャリアの流れを阻害します。後者の問題は、電子と正孔の移動度が一致していない場合に発生する可能性があります。その場合、空間電荷制限光電流（SCLP）がデバイス性能を阻害します。

有機太陽電池は、活性ポリマーとフラーレン系電子受容体を用いて作製できます。この系に可視光を照射すると、ポリマーからフラーレン分子への電子移動が起こります。その結果、ポリマー鎖上に光誘起準粒子、すなわちポーラロン（P +）が形成され、フラーレンはラジカルアニオン（C− 60ポーラロンは非常に移動性が高く、拡散して消えてしまう可能性があります。

ジャンクションの種類

有機太陽電池において、接合とはデバイス構造内の異なる層または材料間の界面を指します。これらの界面は、太陽光の吸収時に生成される電荷​​キャリア（電子と正孔）の分離と収集に寄与します。これらの接合の特性と構造は、有機太陽電池の効率、安定性、そして全体的な性能に影響を与えます。

最も単純な有機PVデバイスは、平面ヘテロ接合を特徴としています（図1）。 電子ドナーまたは電子アクセプタータイプの有機活性材料（ポリマーまたは小分子）のフィルムが、接点に挟まれています。 活性材料で生成された励起子は、再結合して分離する前に拡散し、正孔と電子が特定の収集電極に拡散します。 一般的なアモルファス有機半導体では、電荷キャリアの拡散距離はわずか3～10 nmであるため、平面セルは薄くする必要がありますが、薄いセルは光の吸収が少なくなります。 バルクヘテロ接合（BHJ）は、この欠点を解消します。 BHJでは、電子ドナー材料とアクセプター材料のブレンドが混合物として鋳造され、その後、相分離します。 デバイス内の各材料の領域は、キャリアの拡散に適した距離であるわずか数ナノメートルで隔てられています。 BHJでは、ナノスケールで材料の形態を細かく制御する必要があります。 重要な変数には、材料、溶媒、ドナーとアクセプターの重量比が含まれます。

BHJの次の論理的ステップは、太陽電池用の秩序立ったナノ材料、すなわち秩序立ったヘテロ接合（OHJ）です。OHJはBHJに伴うばらつきを最小限に抑えます。OHJは一般的に、秩序立った無機材料と有機活性領域のハイブリッドです。例えば、光起電性ポリマーはTiO 2などのセラミックの細孔に堆積させることができます。しかし、正孔はポリマーを貫通して細孔の長さに沿って拡散し、接点に到達しなければならないため、OHJも同様の厚さ制限を受けます。正孔移動度のボトルネックを緩和することが、OHJのデバイス性能をさらに向上させる鍵となります。

単層

図5：単層有機太陽電池のスケッチ

単層型有機太陽電池は最もシンプルな形態です。この太陽電池は、有機電子材料の層を2つの金属導体（通常は仕事関数の高いインジウムスズ酸化物（ITO）の層と、仕事関数の低いアルミニウム、マグネシウム、カルシウムなどの金属層）で挟むことで構成されます。この太陽電池の基本構造を図5に示します。

2つの導体間の仕事関数の差により、有機層に電界が発生します。有機層が光を吸収すると、電子はLUMOに励起され、HOMOに正孔が残り、励起子が形成されます。仕事関数の差によって生じる電位差は励起子対の分裂を促し、電子を正極（回路の非金属部品と接触させるために使用される導電体）に、正孔を負極に引き寄せます。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

例

1958年に、窒素原子と炭素原子が交互に環構造を持つ大環状化合物であるマグネシウムフタロシアニン（MgPc）をベースにしたセルの光起電力効果、つまり電圧生成は、200mVの光起電力を持つことが発見されました。[ 19 ] Al / MgPc / Agセルは、690nmの照射下で0.01％の光起電力効率を示しました。[ 20 ]

共役ポリマーもこのタイプの太陽電池に用いられた。あるデバイスでは、有機層としてポリアセチレン（図1）を使用し、Alとグラファイトを併用することで、開放電圧0.3V、電荷収集効率0.3%を実現した。[ 21 ] Al/ポリ(3-メチルチオフェン)/Ptセルの外部量子収率は0.17%、開放電圧0.4V、充填係数0.3であった。[ 22 ] ITO/PPV/Alセルは、白色光照射下で開放電圧1V、電力変換効率0.1%を示した。[ 23 ]

問題

単層有機太陽電池はうまく機能しません。量子効率（1%未満）と電力変換効率（0.1%未満）が低いためです。大きな問題は、2つの導電性電極間の電界差によって生じる電界が励起子を分裂させるのに十分でないことがほとんどであることです。多くの場合、電子は電極に到達する前に正孔と再結合します。

二重層

図6：多層有機太陽電池のスケッチ。

二層セルは、導電性電極の間に2つの層を有しています（図6）。2つの層は電子親和力とイオン化エネルギーが異なるため、2つの層間の界面で静電力が発生します。効率的な電荷分離と収集のためには、光がこの小さな帯電領域で励起子を生成する必要があります。材料は、これらの差が十分に大きくなるように選択され、局所的な電界が強くなることで、単層型太陽電池よりもはるかに効率的に励起子を分離します。電子親和力とイオン化ポテンシャルが高い層は電子受容体であり、もう一方の層は電子供与体です。この構造は平面ドナー-アクセプターヘテロ接合とも呼ばれます。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

例

C 60 は高い電子親和力を持ち、良好なアクセプターとなる。AC 60 /MEH-PPV二重層セルは、単色照明下での充填係数が0.48と比較的高く、電力変換効率は0.04%であった。[ 24 ] PPV/C 60セルは、単色外部量子効率9%、電力変換効率1%、充填係数0.48を示した。[ 25 ]

ペリレン誘導体は高い電子親和力と化学的安定性を示す。銅フタロシアニン（CuPc）を電子供与体、ペリレンテトラカルボン酸誘導体を電子受容体として用いることで、AM2照明を模擬した条件下で、充填係数が最大0.65、電力変換効率が1%のセルを作製した。[ 26 ] Hallsらは、PPVを電子供与体として用いた層の上にビス（フェネチルイミド）ペリレン層を積層したセルを作製した。このセルは、単色照明下でピーク外部量子効率が6%、電力変換効率が1%、充填係数が最大0.6であった。[ 27 ]

問題

有機電子材料における励起子の拡散長は、通常10nm程度です。ほとんどの励起子が層界面まで拡散してキャリアに分裂するには、層の厚さが拡散長と同程度である必要があります。しかし、ポリマー層は十分な光を吸収するために、通常少なくとも100nmの厚さが必要です。このような厚い厚さでは、励起子のごく一部しかヘテロ接合界面に到達できません。

離散ヘテロ接合

3層（アクセプター2層、ドナー1層）のフラーレンフリースタックは、8.4%の変換効率を達成した。この実装により、可視スペクトルにおける高い開放電圧と吸収、そして高い短絡電流が得られた。量子効率は400 nmから720 nmの波長範囲で75%を超え、開放電圧は約1 Vであった。[ 28 ]

バルクヘテロ接合

図7：分散接合型太陽電池のスケッチ

バルクヘテロ接合は、ドナー材料とアクセプター材料のナノスケール混合物からなる吸収層を有する。この混合物のドメインサイズはナノメートルオーダーであり、ドナー-アクセプター界面積が大きいため、寿命の短い励起子が界面に到達して解離することができる。[ 29 ]しかし、効率的なバルクヘテロ接合は、ドナー材料が正孔輸送電極（図7の電極1）に到達し、アクセプター材料が電子輸送電極（電極2）に到達できるように、十分に大きなドメインサイズを維持してパーコレーションネットワークを形成する必要がある。このパーコレーションネットワークがないと、電荷がドナーまたはアクセプターに富むドメインに捕捉され、再結合を起こす可能性がある。バルクヘテロ接合は、層状構造の配向に伴う困難な処理を必要とせずに、効果的な光子吸収に十分な厚さにすることができ、同等の性能を維持できるため、層状光活性構造よりも優れている。

バルクヘテロ接合は、2つの成分を含む溶液を形成し、キャスティング（例えば、ドロップキャスティングやスピンコーティング）した後、通常はアニール処理によって2つの相を分離させることによって最も一般的に作製されます。2つの成分は自己組織化し、2つの電極を接続する相互浸透ネットワークを形成します。[ 30 ]バルクヘテロ接合は通常、共役分子ベースのドナーとフラーレンベースのアクセプターで構成されています。バルクヘテロ接合のナノ構造形態は制御が困難な傾向がありますが、太陽光発電の性能にとって非常に重要です。

光子を捕捉した後、電子はアクセプタードメインに移動し、デバイス内を運ばれて一方の電極で収集されます。一方、正孔は反対方向に移動して反対側で収集されます。2つの材料の分散が細かすぎると、層を介した電荷移動が悪くなります。[ 13 ] [ 14 ] [ 19 ] [ 31 ]

ほとんどのバルクヘテロ接合セルは2つのコンポーネントで構成されていますが、3つのコンポーネントで構成されるセルも研究されています。3つ目のコンポーネントである二次p型ドナーポリマーは、太陽光スペクトルの異なる領域の光を吸収する働きをします。これにより、理論上は吸収される光量が増加します。これらの3元セルは、電荷移動、エネルギー移動、または並列結合という3つの異なるメカニズムのいずれかで動作します。

電荷移動においては、両方のドナーが自由電荷キャリアの生成に直接寄与する。正孔は陽極に集められる前に、一方のドナードメインのみを通過する。エネルギー移動においては、一方のドナーのみが正孔生成に寄与する。もう一方のドナーは光を吸収し、余分なエネルギーを最初のドナー材料に伝達する。並列結合においては、両方のドナーが独立して励起子を生成し、励起子はそれぞれのドナー／アクセプター界面に移動して解離する。[ 32 ]

例

C 60およびその誘導体などのフラーレンは、バルクヘテロ接合型太陽電池の電子受容体材料として使用されています。MEH-PPVとメタノ官能化C 60誘導体の混合物をヘテロ接合とし、ITOとCaを電極として用いたセル[ 33 ]は、単色照明下で29%の量子効率と2.9%の電力変換効率を示しました。MEH-PPVをP3HTに置き換えると、10Vの逆バイアス下で45%の量子収率が得られました[ 34 ] [ 35 ]電子受容体の改良におけるさらなる進歩により、PC 71 BMを電子受容体、PTB7-Thを電子供与体として用いた混合物で10.61%の電力変換効率を示すデバイスが実現しました[ 36 ] 。

ポリマー/ポリマーブレンドは、分散ヘテロ接合型太陽電池にも用いられています。CN-PPVとMEH-PPVをブレンドし、AlとITOを電極として用いることで、単色光ピーク電力変換効率1%、曲線因子0.38が得られました。[ 37 ] [ 38 ]

色素増感型太陽電池もこのタイプの重要な例として考えられます。

問題

PC 71 BMのようなフラーレンは、高性能バルクヘテロ接合太陽電池に用いられる電子受容体材料としてよく用いられます。しかし、これらの電子受容体材料は可視光を非常に弱く吸収するため、強い吸収を示す電子供与体材料の体積分率が低下します。さらに、フラーレンは電子的な調整能力が低いため、高電圧用途に適したより魅力的な電子構造を持つ共役系の開発には制約が課せられます。近年、これらのフラーレンを、電子的に調整可能で光吸収に寄与する有機分子に置き換える研究が行われています。[ 39 ]

傾斜ヘテロ接合

電子供与体と受容体は、電荷勾配が緩やかになるように混合されている。この構造は、分散ヘテロ接合における短い電子移動距離と、二重層技術の電荷勾配の利点を組み合わせたものである。[ 40 ] [ 41 ]

例

CuPcとC60の混合物を持つセルは、傾斜ヘテロ接合に対して100mW/cm2の模擬AM1.5G太陽光照射を使用して、50％の量子効率と2.1％の電力変換効率を示した。[ 42 ]

連続接合

段階的ヘテロ接合と同様に、連続接合のコンセプトは、電子供与体から電子受容体への段階的な遷移を実現することを目指しています。ただし、受容体材料は、重合後の改質工程において、供与体ポリマーから直接調製されます。[ 43 ]

生産

活性層がデバイスの効率を大きく左右するため、この部品の形態は大きな注目を集めた。[ 44 ]

If one material is more soluble in the solvent than the other, it will deposit first on top of the substrate, causing a concentration gradient through the film. This has been demonstrated for poly-3-hexyl thiophene (P3HT), phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) devices where the PCBM tends to accumulate towards the device's bottom upon spin coating from ODCB solutions.[45] This effect is seen because the more soluble component tends to migrate towards the "solvent rich" phase during the coating procedure, accumulating the more soluble component towards the film's bottom, where the solvent remains longer. The thickness of the generated film affects the phases segregation because the dynamics of crystallization and precipitation are different for more concentrated solutions or faster evaporation rates (needed to build thicker devices). Crystalline P3HT enrichment closer to the hole-collecting electrode can only be achieved for relatively thin (100 nm) P3HT/PCBM layers.[46]

The gradients in the initial morphology are then mainly generated by the solvent evaporation rate and the differences in solubility between the donor and acceptor inside the blend. This dependence on solubility has been clearly demonstrated using fullerene derivatives and P3HT.[47] When using solvents which evaporate at a slower rate (as chlorobenzene (CB) or dichlorobenzene (DCB)) you can get larger degrees of vertical separation or aggregation while solvents that evaporate quicker produce a much less effective vertical separation. Larger solubility gradients should lead to more effective vertical separation while smaller gradients should lead to more homogeneous films. These two effects were verified on P3HT:PCBM solar cells.[48][49]

The solvent evaporation speed as well as posterior solvent vapor or thermal annealing procedures were also studied.[50] Blends such as P3HT:PCBM seem to benefit from thermal annealing procedures, while others, such as PTB7:PCBM, seem to show no benefit.[51] In P3HT the benefit seems to come from an increase of crystallinity of the P3HT phase which is generated through an expulsion of PCBM molecules from within these domains. This has been demonstrated through studies of PCBM miscibility in P3HT as well as domain composition changes as a function of annealing times.[52][53][54]

上記の混和性に基づく仮説は、バルクヘテロ接合デバイス内にドナー材料またはアクセプター材料のいずれかの純粋なアモルファス相が存在することは決してないため、デバイスの効率を完全に説明するものではありません。2010年の論文[ 55 ]は、純粋な相と離散的な界面を仮定する現在のモデルは、純粋なアモルファス領域が存在しない場合、破綻する可能性があることを示唆しています。現在のモデルは、相の純度を考慮せずに界面における相分離を仮定しているため、モデルの変更が必要になる可能性があります。

熱アニールの手順は、適用時期によって異なります。垂直方向の種移動は、活性層と空気または他の層との間の表面張力によって部分的に決定されるため、追加層（通常は金属カソード）の堆積前または堆積後のアニールは結果に影響を与えます。P3HT:PCBM太陽電池の場合、金属カソードの堆積後にアニールすると、垂直方向の移動が改善されます。

隣接層にドナーまたはアクセプターが蓄積すると、正孔または電子をブロックする効果が得られ、デバイス性能が向上する可能性があるため、有益となる可能性がある。2009年には、P3HT:PCBM太陽電池における垂直分布の差が電子移動度に問題を引き起こし、デバイス効率が非常に低下することが明らかになった。[ 56 ]デバイス構造に単純な変更を加えることで（P3HT上にPCBMの薄層をスピンコートする）、デバイスコンポーネント間の垂直方向の分離を再現可能にし、セルの再現性を大幅に向上させることができる。効率向上にはPCBMとカソード間の接触を高める必要があるため、これによりデバイスの再現性が大幅に向上する。

中性子散乱解析によると、P3HT:PCBM混合物は「小川」（PCBM領域）によって中断された「川」（P3HT領域）として描写されている。[ 57 ]

栽培技術の進歩

太陽光発電用途の有機薄膜は、主にスピンコーティング法と気相堆積法で成膜されます。しかし、それぞれの方法には欠点があります。スピンコーティング法はより広い面積を高速でコーティングできますが、1層のみに溶媒を使用すると既存のポリマー層が劣化する可能性があります。また、スピンコーティング法では基板全体を単一の材料でコーティングするため、デバイス基板のパターニングにも問題があります。

真空熱蒸発

図9：真空熱蒸発（a）と有機相蒸着（b）

もう一つの堆積技術は真空熱蒸着（VTE）で、これは真空中で有機材料を加熱するものです。図9(a)に示すように、基板は蒸発源から数センチメートル離れた場所に配置され、蒸発した材料が基板上に直接堆積されます。この方法は、異なる材料を多層に堆積する際に、層間の化学反応を起こさずに済むため便利です。しかし、大面積基板では膜厚の均一性やドーピングの均一性に問題が生じることがあります。さらに、チャンバー壁に堆積した材料が後の堆積物を汚染する可能性もあります。この「視線」法は、影によって膜に穴を開ける可能性があり、デバイスの直列抵抗の増加や短絡の原因となります。[ 58 ]

有機気相堆積

図9(b)に示す有機気相成長法（OVPD）では、真空熱蒸着法よりも膜の構造と形態をより適切に制御できます。このプロセスでは、不活性キャリアガスの存在下で基板上に有機材料を蒸発させます。得られる膜の形態は、ガス流量とソース温度を変更することで調整できます。キャリアガス圧力を下げることで、ガスの速度と平均自由行程が増加し、結果として境界層の厚さが減少し、均一な膜を成長させることができます。OVPDで製造されたセルでは、チャンバーの壁が温かいため分子が付着して膜を形成することがないため、壁から出てくる薄片による汚染の問題はありません。

VTEに勝るもう一つの利点は、蒸発速度の均一性である。これは、キャリアガスが原料から排出された有機材料の蒸気で飽和し、冷却された基板に向かって移動するためである（図9(b)）。成長パラメータ（原料温度、ベース圧力、キャリアガス流速）に応じて、堆積された膜は結晶性または非晶質性となる。OVPDを用いて製造されたデバイスは、VTEを用いて製造されたデバイスよりも高い短絡電流密度を示す。セル上部にドナー-アクセプターヘテロ接合層を追加することで、励起子をブロックし、電子伝導を可能にするため、セル効率が向上する。[ 58 ]

溶媒効果

スピンコーティングと蒸着の条件は、デバイスの効率に影響する。[ 59 ] [ 60 ]溶媒と添加剤は、ドナー-アクセプターの形態に影響を与える。[ 61 ]添加剤は蒸着を遅くし、より結晶性のポリマーを生成させ、正孔伝導性と効率を向上させる。代表的な添加剤としては、1,8-オクタンジチオール、オルトジクロロベンゼン、1,8-ジヨードオクタン（DIO）、ニトロベンゼンなどがある。[ 48 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] DIO効果は、PCBM成分の選択的可溶化に起因するもので、電子の平均ホッピング距離を根本的に修正し、電子移動度を向上させる。[ 65 ]添加剤はポリマーの効率を大幅に向上させることもできる。[ 66 ] HXS-1/PCBM太陽電池では、その効果は電荷生成、輸送、および貯蔵安定性と相関していた。[ 67 ] PTTBOなどの他のポリマーもDIOの恩恵を大きく受け、添加剤なしで約3.7％だったPCE値が5％以上に達した。

クロロナフタレン（CN）を共溶媒として用いたポリマー太陽電池は、従来の純粋なクロロベンゼン溶液から製造されたものよりも高い効率を示す。これは、ドナー-アクセプター構造が変化し、ドナーポリマーとフラーレン間の相分離が減少するためである。結果として、高い正孔移動度が得られる。共溶媒がない場合、フラーレンの大きなドメインが形成され、溶液中のポリマー凝集によりセルの光電変換性能が低下する。この形態は乾燥中の液-液相分離に起因し、溶媒の蒸発により混合物はスピノーダル領域に入り、そこでは大きな熱変動が生じる。大きなドメインは電子が効率的に収集されることを妨げ（PCEを低下させる）。[ 68 ]

ポリマー構造のわずかな違いは結晶パッキングに大きな変化をもたらし、デバイスの形態に必然的に影響を及ぼす。PCPDTBTとPSBTBTの違いは、2つのポリマー間の架橋原子の違い（C vs. Si）による。これは、添加物を含むPCPDTBT:PCBM太陽電池では、添加物質なしで良好な形態が得られるSiシステムとは対照的に、より良好な形態が得られることを示唆している。[ 69 ]

自己組織化細胞

スピンキャストと加熱によって集合するドナー分子とアクセプター分子を用いて、超分子化学が研究された。ほとんどの超分子集合体は小さな分子を用いている。[ 70 ] [ 71 ]管状構造のドナードメインとアクセプタードメインは、有機太陽電池に理想的であると考えられる。[ 72 ]

フラーレンを含むジブロックポリマーは、熱アニールにより安定した有機太陽電池を生み出す。[ 73 ]適切な超分子相互作用が導入されると、あらかじめ設計された形態を持つ太陽電池が得られる。[ 74 ]

ポリチオフェン誘導体を含むBCPの開発が進み、明確に定義されたネットワークを形成する太陽電池が実現しました。[ 75 ]このシステムは2.04%のPCEを示し、水素結合がその形態を決定づけています。

共重合体アプローチに基づくデバイス効率はまだ2%の壁を超えていないが、バルクヘテロ接合デバイスは単一接合構成で7%を超える効率を示している。[ 76 ]

フラーレンをグラフトしたロッドコイルブロック共重合体はドメイン組織化の研究に使用されてきた。[ 77 ]

有機太陽電池に対する超分子アプローチは、ドメイン分離を促進する高分子の力についての理解を深めます。

透明ポリマーセル

透明または半透明のPSCは、可視スペクトル外の低エネルギーまたは高エネルギー光子を吸収できるため、太陽光利用能力が最適化され、より広い吸収スペクトルをカバーします。[ 78 ] [ 79 ]これらのタイプのPSCは、可視スペクトル内の光子に対する固有の感度が低いため、近赤外線または紫外線光子を捕捉するのに最適です。一般的なPSCは不透明な金属電極を使用しており、これにより透明性が制限され、したがって性能も制限されます。[ 78 ] PSCの吸収層は本質的に半透明です。[ 80 ]そのため、可視透明なPSCを実現する1つの方法は、上部電極をより透明になるように変更することです。ITO、極薄金属、金属グリッド、グラフェン、カーボンナノチューブなどの材料が半透明の上部電極の製造に使用されています。[ 81 ] [ 82 ]しかし、透明PSCの性能は、不透明電極PSCに比べて劣っていることが示されています。[ 83 ]上部電極を透明にすると、吸収層に電磁場を閉じ込めるセルの能力が低下し、PCEが低下します。現在、このようなセルのPCEを向上させるための広範な研究が行われています。[ 81 ]このようなタイプのPSCは、建物一体型太陽光発電、タンデムデバイス、ポータブル電子機器に応用されています。[ 78 ] [ 82 ] [ 83 ]

赤外線ポリマーセル

赤外線セルは、可視波長よりも赤外線領域の光を優先的に吸収します。2010年の研究では、裏面にCNTフィルム上部電極、前面にITOガラス層を備え、セルの両面から光が透過できる赤外線透過型PSCが開発されました。ITOの上にZnO層を配置し、ZnOにP3HT:PCBM層を追加することで、ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT（下から上）セルを作成しました。上部CNT電極と下部ITO電極はどちらも、500 nm～2.5 umのスペクトル内で80%の透過率を示すことが観察されました。セル自体の光透過率は、670 nm～1.2 umの範囲で80%、1.2 um～2.5 umの範囲で60%でした。逆に、Ag上部電極を備えたコントロールセルでは、このスペクトル内で透過率は得られませんでした。さらに、P3HT:PCBM層の可視光吸収率が高いため、可視光領域における透過率は比較的低かった。このようなセルは、タンデムデバイスやPSCの垂直アセンブリに適用できる。[ 78 ]

2012年時点で、赤外線セルは可視光に対して約70%の透過率を示しました。このセルは、溶液プロセスを用いることで低コストかつ大量生産が可能と言われています。このセルでは、従来の不透明な金属電極に代えて、銀ナノワイヤと二酸化チタンの複合膜を上部電極として採用しています。この組み合わせにより、4%の電力変換効率が達成されました。[ 84 ]

2014年には、ナフトジチオフェンジイミドとビチオフェンの共重合体（PNDTI-BT-DT）をベースとした近赤外ポリマー太陽電池が、電子供与体としてPTB7と組み合わせて製造されました。PNDTI-BT-DTとPTB7は、ブレンド膜においても純粋な膜と同様の結晶構造を形成し、両ポリマーからの効率的な電荷生成をもたらしました。[ 85 ]

PSC用の透明上部電極の開発には多くの研究が注力されてきました。しかし、2017年の研究では、半透明PSCの活性層の最適化が検討されました。研究者らは、狭バンドギャップポリマードナーであるPTB7-Thと非フラーレンアクセプターであるIHICの両方を用いることで、効率を向上させた半透明PSCを提案しました。この研究の結果、提案されたPSCは赤外線スペクトルでは高い透過率と吸収を示し、可視スペクトルでは低い吸収を示すことが示されました。このセルは比較的安定しており、最大PCEは9.77%で、これは2017年時点で報告されている最高のPCE値です。[ 86 ]

典型的な電流-電圧挙動と電力変換効率

有機太陽電池は、無機太陽電池と同様に、一般的に電流電圧解析によって特性評価されます。[ 87 ]この解析により、デバイスの性能を理解するために用いられる複数のデバイス指標値が得られます。最も重要な指標の一つが電力変換効率（PCE）です。

有機太陽電池の電流電圧曲線

PCE (η) は、短絡電流(J SC )、開放電圧(V OC )、および曲線係数(FF) の積に比例します。これらはすべて、電流-電圧曲線から決定できます。

η＝VOC×JSC×FFPで{\displaystyle \eta ={\frac {V_{\text{OC}}\times J_{\text{SC}}\times FF}{P_{\text{in}}}}}

ここで、P in は入射する太陽エネルギーです。

短絡電流（Jsc）は、光電流発生の最大値である。[ 88 ]これは、電流をy軸、電圧をx軸にプロットした標準電流-電圧曲線のy切片値に対応する。有機太陽電池において、短絡電流は様々な材料要因の影響を受ける可能性がある。これらの要因には、電荷キャリアの移動度、光吸収プロファイル、そして電荷キャリアをより効率的に抽出するための一般的なエネルギー駆動力などが含まれる [ 88 ] 。

開放電圧（Voc）は、デバイスに電流が流れていないときの電圧です。[ 88 ]これは、電流-電圧曲線のx切片に相当します。バルクヘテロ接合型有機太陽電池デバイスでは、この値は活性層材料のHOMOとLUMOのエネルギー準位と仕事関数に大きく依存します[ 88 ]

電力は電圧と電流の積であるため、最大電力点は電圧と電流の積が最大化されたときに発生します。

フィルファクターFFは、電流電圧曲線の「直角性」と考えることができます。[ 87 ]これは、最大電力値と開放電圧と短絡電流の積の商です。[ 87 ]これは、上の図では黄色の長方形の面積とそれより大きい青色の長方形の面積の比として示されています。有機太陽電池の場合、このフィルファクターは、生成された電荷がデバイスからどれだけ効率的に取り出されるかを示す指標です。[ 88 ]これは、デバイス内を移動する電荷と再結合する電荷との「競争」と考えることができます。[ 88 ]

ポリマー太陽電池を取り巻く大きな課題は、製造されたセルの電力変換効率（PCE）が低いことです。PSCが商業的に実現可能とみなされるためには、少なくとも10～15%の効率を達成できなければなりません[ 89 ]。これは無機PVよりもはるかに低い値です。しかし、ポリマー太陽電池は低コストであるため、10～15%の効率は商業的に実現可能です。

ポリマー太陽電池の性能における近年の進歩は、バンドギャップを圧縮して短絡電流を向上させると同時に、最高被占分子軌道（HOMO）を低下させて開放電圧を向上させることに起因しています。しかしながら、PSCは依然として低いフィルファクター（通常70%未満）という問題を抱えています。しかし、2013年現在、研究者らは75%を超えるフィルファクターを持つPSCの製造に成功しています。科学者たちは、逆BHJ構造と非従来型のドナー/アクセプターの組み合わせを用いることで、これを実現しました。[ 90 ]

商業化

ポリマー太陽電池に関する科学論文の年別件数。ISI、Web of Scienceによる検索。[ 91 ]

ポリマー太陽電池は、シリコン太陽電池やその他の薄膜太陽電池と商業的に競合するまでには至っていません。現在のポリマー太陽電池の効率は10%近くで、シリコン太陽電池を大きく下回っています。また、ポリマー太陽電池は効果的な保護コーティングが不足しているため、環境劣化の影響を受けやすいという問題もあります。

電荷キャリアの拡散を促進するためには、性能をさらに向上させる必要があります。また、秩序と形態の制御を通じて輸送を強化する必要があり、インターフェース間の電荷移動の問題にはインターフェース エンジニアリングを適用する必要があります。

ポリマー太陽電池の効率向上のため、タンデム構造の利用に関する研究が進められています。無機タンデム構造と同様に、有機タンデム構造も効率向上が期待されています。低バンドギャップ材料を用いた単接合デバイスと比較して、タンデム構造は光子から電子への変換時の熱損失を低減できます。[ 9 ]

ポリマー太陽電池は商業的に広く生産されていません。2008年から、コナーカ・テクノロジーズはポリマーフラーレン太陽電池の生産を開始しました。[ 92 ]初期のモジュールの効率は3～5%で、寿命はわずか数年でした。コナーカはその後、ポリマー太陽電池が太陽光発電市場に浸透できなかったため、破産を申請しました。

PSCは依然として充填係数が低い（典型的には70%未満）という問題を抱えています。しかし、2013年現在、研究者らは75%を超える充填係数を持つPSCの製造に成功しています。これは、逆BHJ構造と非従来型のドナー/アクセプターの組み合わせを用いることで実現されています。[ 90 ]

しかしながら、コスト削減とPSC生産の実用化を目指し、ポリマー太陽電池の生産規模拡大に向けた取り組みが進められています。こうした取り組みには、ロールツーロール方式の溶液プロセス技術の導入が含まれます。しかし、ロールツーロール方式の溶液プロセス技術は、ポリマー太陽電池の寿命が短いため、オングリッド発電には適していません。そのため、ポリマー太陽電池の商業用途は、依然として主に民生用電子機器や家電製品に限られています。[ 93 ]

有機太陽電池のモデリング

上述のように、有機半導体は長距離秩序を持たない高度に無秩序な材料です。これは、伝導帯と価電子帯の端が明確に定義されていないことを意味します。さらに、この物理的かつエネルギー的な無秩序性によってトラップ状態が生じ、光生成した電子と正孔がそこに捕獲され、最終的に再結合する可能性があります。

有機太陽電池をデバイスモデルで正確に記述する鍵は、トラップ状態を介したキャリアのトラップと再結合を考慮することです。一般的に用いられるアプローチは、有効媒質モデルを用いることで、標準的なドリフト拡散方程式を用いてデバイス全体の輸送を記述します。次に、移動度端からバンドギャップへと減衰するトラップ状態の指数関数的な裾を導入します。[ 94 ] これらのトラップ状態からの捕獲/脱出を記述するために、ショックレー・リード・ホール（SRH）モデルが用いられます。ショックレー・リード・ホール機構は、ポリマー：フラーレンデバイスの挙動を時間領域と定常状態の両方で再現できることが示されています。[ 94 ]

有機太陽電池の設計には、バンドギャップや層厚など、多数の構造・組成パラメータの最適化が必要です。数値デバイスシミュレーションは、最適なスタック構成を特定するための機器的な洞察を提供します。これにより、効率的な太陽電池の開発に必要な時間を短縮できます。

現在の課題と最近の進歩

有機太陽電池の問題点としては、無機太陽電池に比べて内部量子効率は良好であるにもかかわらず、外部量子効率が低い（最大70% [ 95 ]）ことが挙げられます。これは、100ナノメートル程度の活性層では吸収が不十分なためです。また、酸化還元、再結晶化、温度変化に対する不安定性も、デバイスの経時劣化や性能低下につながる可能性があります。これは、デバイスの構成によって程度が異なり、現在活発な研究が行われている分野です。[ 96 ]

その他の重要な要素には、不純物の存在によって影響を受ける励起子拡散長、電荷分離、電荷収集などがあります。

電荷キャリアの移動度と輸送

特にバルクヘテロ接合太陽電池においては、有機太陽電池の効率向上には電荷キャリア輸送の理解が不可欠です。現在、バルクヘテロ接合デバイスは電荷キャリア移動度のバランスが崩れており、正孔移動度は電子移動度よりも少なくとも1桁低いため、空間電荷の蓄積とデバイスの曲線因子および電力変換効率の低下を招きます。[ 97 ]移動度が低いため、効率的なバルクヘテロ接合太陽電池は、吸収とプロセスにおける拡張性に悪影響を与える電荷キャリアの再結合を避けるために、薄い活性層で設計する必要があります。シミュレーションにより、曲線因子が0.8以上、外部量子効率が90%を超えるバルクヘテロ接合太陽電池を実現するには、空間電荷効果を低減するために電荷キャリア移動度のバランスをとること、ならびに電荷キャリア移動度の向上および／または二分子再結合速度定数の低下が必要であることが実証されています。[ 98 ]

フィルム形態の影響

図8: 高度に折り畳まれたヘテロ接合（a）；制御された成長を伴うヘテロ接合（b）

上述のように、ドナー-アクセプター有機材料の分散ヘテロ接合は、平面ヘテロ接合と比較して高い量子効率を示す。これは、分散ヘテロ接合では励起子が拡散長の範囲内で界面を見つける可能性が高くなるためである。膜の形態もデバイスの量子効率に劇的な影響を与える可能性がある。粗い表面や空隙の存在は、直列抵抗を増加させ、短絡の可能性も高める可能性がある。デバイスを約1000Å厚の金属陰極で覆った後、アニール処理することで、膜の形態、ひいては量子効率を向上させることができる。有機膜上に金属膜を形成すると、有機膜に応力が加わり、有機膜の形態緩和が抑制される。これにより、より高密度の膜が形成されると同時に、有機薄膜内部に相分離した相互浸透型ドナー-アクセプター界面が形成される。[ 99 ]

これらの進歩を基に、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、バルクヘテロ接合層における形態制御を高度化するロールツーロールプロセス技術の開発に取り組んでいます。これらの技術は、ドナー-アクセプター材料間の相分離を精密に制御することで、より効率的な電荷抽出・輸送を促進し、最終的にはデバイス全体の性能を向上させます。さらに、堆積条件と溶媒処理を最適化することで、NRELのアプローチは、電荷再結合に寄与する形態欠陥を最小限に抑え、有機太陽電池の製造における効率と環境持続可能性の両方を向上させることを目指しています。[ 100 ]

制御成長ヘテロ接合

電荷分離はドナー-アクセプター界面で起こる。電荷は電極へ向かう途中で、無秩序な相互浸透有機材料に捕捉されたり再結合したりすることがあり、その結果、デバイス効率が低下する。ヘテロ接合の制御された成長は、ドナー-アクセプター材料の位置をより適切に制御することを可能にし、平面状で高度に無秩序なヘテロ接合（図8参照）よりもはるかに高い電力効率（出力電力と入力電力の比）をもたらす。したがって、構造と膜形態をより適切に制御するために、適切なプロセスパラメータを選択することが非常に重要である。[ 32 ]

光トラッピング

薄型有機太陽電池での光トラッピング（光取り込み）効果を高めるために、様々なタイプの成分が適用されている。[ 101 ]有機太陽電池の柔軟性に加えて、ITOとガラスの代わりにそれぞれフレキシブル電極[ 102 ] [ 103 ]と基板[ 104 ]を使用することで、完全にフレキシブルな有機太陽電池を製造できる。これらのフレキシブル基板と基板の使用により、散乱粒子が埋め込まれたポリマー電極、[ 105 ]ナノインプリントポリマー電極、[ 106 ]パターン化されたPET基板[ 107 ] [ 108 ]さらには液晶ディスプレイ（LCD）用に基板として商品化された光学ディスプレイフィルムなど、OPVに光トラッピング効果を提供するより簡単な方法が導入されている。[ 109 ]光トラッピング構造の加工が容易というメリットを生かしてOPVの性能を向上させるための研究が盛んに行われるだろう。

タンデム太陽光発電の使用

近年、ハイブリッドタンデム太陽電池スタックのトップセルとして有機太陽電池を利用する研究が行われています。有機太陽電池は、シリコンやCIGSなどの従来の無機太陽電池よりもバンドギャップが大きいため、熱によるエネルギー損失をほとんど受けることなく、より高エネルギーの光子を吸収することができ、より高い電圧で動作します。吸収されなかった低エネルギーの光子と高エネルギーの光子は、トップの有機太陽電池を通過し、ボトムの無機太陽電池に吸収されます。有機太陽電池は、低温での溶液プロセスが可能で、1平方メートルあたり10ドルという低コストであるため、既存の無機太陽電池技術の全体的な効率を向上させる印刷可能なトップセルを実現できます。[ 110 ]このようなハイブリッドタンデム太陽電池スタックの形成を可能にするために、高い透明性を維持しながら低い接触抵抗を維持する半透明電極の堆積に関する研究など、多くの研究が行われています。[ 111 ]

機械的動作

有機半導体の機械的特性、特に有機太陽電池デバイスの動作における多様な故障メカニズムを理解することは、様々な用途における有機太陽電池の動作安定性を決定する上で極めて重要です。有機太陽電池の機械的特性は、材料中に存在する分子間力と表面力に起因します。これらの特性は分子構造の影響を受けるだけでなく、加工条件にも非常に敏感であるため、引張弾性率、延性、ひずみ下における破壊靭性といったポリマー薄膜の機械的特性の研究は困難です。[ 112 ]このため、デバイスの機械的安定性を予測する「性能指数」を定量化することは容易ではなく、ひずみ下におけるデバイスの堅牢性は多くの要因に依存します。

ほとんどの場合、基板はデバイスを支えており、基板の機械的破損はデバイスの電力変換効率を最適に保てなくなります。したがって、基板が有機活性層を機械的に支えることは必要ですが、基板の引張強度を高めることで低ひずみでフィルムが破壊されないように注意する必要があります。一般的に、活性層は基板と連動して変形することが望ましいです。これは、低い弾性率と高い弾性限界によって可能になります。薄膜の延性は、一般的に、フィルムに亀裂が生じるひずみとして測定されます。ただし、亀裂開始ひずみは、フィルムと基板の凝集/接着の程度など、他の要因にも依存します。さまざまな研究で、別々のポリマー界面を破壊するために必要な仕事として定義される凝集破壊エネルギーまたは接着破壊エネルギー G cが、分子パラメータおよび処理条件に関連付けられています。[ 113 ] [ 114 ]亀裂形成後の伝播経路は、凝集力に加えて、亀裂が伝播する材料の機械的特性に依存する。P3HTのような優れた可塑性を示すポリマーでは、デバイスの平面に垂直な引張ひずみを加えると、亀裂先端に塑性領域が形成され、フィルム内の結晶ドメインまたは剛性基板によって閉じ込められるまで拡大し、変形エネルギーを消散させて界面間の凝集力を低下させる。[ 115 ] 機械的座屈法もまた、様々な有機薄膜の弾性率の測定に非常に有効であることが証明されている。この方法は、圧縮ひずみ下でフィルムにしわを生じさせる座屈不安定性に基づいている。しわパターンの波長は、フィルムの厚さと基板の弾性率の観点から、フィルムの引張弾性率と関連付けることができる。[ 116 ]

有機太陽電池を組み込んだデバイスの設計では、Gc と破壊時のひずみが、考慮すべき重要な 2 つの指標であることが判明しています。バルクヘテロ接合 (BHJ) 層は通常、有機太陽電池の中で最も弱い層であるため、BHJ 材料を機械的に安定するように設計する必要があり、目標 Gcは5 J m-2、目標破壊時のひずみは 20～30% とされています。ポリマーベースのアクセプターは、小分子アクセプターやフラーレンベースのアクセプターと比較して、優れた機械的特性を示すことが示されています。さらに、ポリマーベースのアクセプターの機械的特性は、ポリマー分子の数平均分子量である M nの影響を受けます。機械的特性は M n の増加とともに増加しますが、Mn が M c (臨界分子量)を超えて初めて、もつれにより粘度の変化率が M n の増加とともに増加することが確認されています。この現象は、鎖のもつれ率とポリマーアクセプターとドナー間の混和性がともに増加するため発生します。これらの特性の影響として、機械的応力に対するこれらの材料の塑性変形が大きく、エネルギーの散逸量が多くなり、機械的強度の低い材料はより容易に破壊されることが挙げられます。[ 117 ]

バルクヘテロ接合材料研究の最近の方向性

現在行われている主要な研究分野の一つは、非フラーレンアクセプターの使用である。フラーレンアクセプターはバルクヘテロ接合セル設計との適合性と優れた輸送特性から、ほとんどの有機太陽電池の標準となっているが、いくつかの欠点があり、研究者は代替案を探している。[ 118 ]フラーレンアクセプターの欠点としては、不安定性、エネルギー調整能力に多少の限界があること、光吸収が乏しいことなどがあげられる。[ 118 ]研究者らは、エネルギー調整能力に優れているため高い開放電圧を発揮できる小分子アクセプターを開発した。[ 118 ]科学者らはポリマードナー（D18）と小分子アクセプター（Y6）を組み合わせて、18%を超える高効率の有機太陽電池を実験室で製造した。[ 119 ]しかし、フラーレン以外のアクセプターには、小分子アクセプターの低い電荷キャリア移動度や、可能性のある分子の数が研究コミュニティにとって圧倒的であるなど、依然として大きな課題が残っています。[ 118 ]

非フラーレンアクセプター（NFA）を用いた有機太陽電池の開発における課題は、高沸点かつ環境に優しい溶媒の選定である。一方、クロロホルム（CF）などの従来の溶媒は、沸点が低く毒性を示す傾向がある。このような溶媒は有機太陽電池のさらなるスケールアップに不可欠であるが、ドナーおよびアクセプター材料の溶媒への溶解性が低いため、PCEの低下を招くことが知られている。NFAにアルキル鎖を付加すると溶解性は向上するが、分子パッキング（πスタッキング）が減少するため、PCEへの実質的な影響は見られなかった。ゲストアシスタンスの利用は、溶解性と分子パッキングの両方に有益であることが分かっている。オリゴ(エチレングリコール) (OEG)側鎖を持つBTOというゲスト分子を、アクセプターとしてNFA Y6、ドナーとしてPM6、高融点かつ持続可能な溶媒としてパラキシレン (PX)と組み合わせて使用​​することで、PCEが11%から16%以上に増加し、許容できるレベルの効率と見なされました。[ 120 ]よりクリーンな有機太陽電池の開発で成功したさらなる改良は、非ハロゲン化溶媒による基板のホットスピンコーティングです。ホットスピンコーティングを操作する温度によって、アクセプター-ドナー混合物の固相進化に対する溶液が変わり、温度が高くなると基板表面のアクセプター濃度が高くなることが分かりました。これは、温度が高いほど凝集と沈殿が減少し、基板がより高いアクセプター濃度を保持できるためです。実験では、PM6ドナーとY6-1OおよびBO-4Clアクセプターの三元混合物と、o-キシレンやトルエンなどの様々な非ハロゲン溶媒を用いて構築した有機太陽電池は、18%を超えるPCE値を示し、これは非ハロゲン溶媒で構築された有機太陽電池の中で現在までに最も効率の高い値である。さらに形態学的分析を行ったところ、非ハロゲン溶媒で作製されたホットスパンOPVは、ハロゲン溶媒で作製されたOPVと同様の形態特性を示すことが示された。[ 121 ]

低分子もドナー材料として活発に研究されており、ポリマードナーの代替として期待されています。低分子はポリマーのように分子量が変化しないため、精製工程が少なく、再結合につながるトラップ状態を作り出す可能性のある高分子の欠陥やねじれの影響を受けにくいと考えられます。[ 122 ]最近の研究では、高性能な低分子ドナー構造は平面2次元構造を持ち、凝集または自己組織化できることが示されています。[ 122 ]これらのデバイスの性能は活性層の形態に大きく依存するため、現在も低分子の可能性を調査し、様々な材料のアニールなどのプロセスを通じてデバイス形態を最適化する研究が続けられています。[ 122 ]

同時に、バルクヘテロ接合材料の進歩は、効率と安定性の向上をもたらし続けています。米国エネルギー省（DOE）は、エネルギー損失の最小化と電荷分離の改善を目的とした、新規非フラーレンアクセプター（NFA）の研究を支援してきました。[ 123 ]

参照

その他の第3世代太陽電池：

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さらに読む

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  • 「有機太陽光発電」 Christoph Brabec、Vladimir Dyakonov、Jürgen Parisi、Niyazi Serdar Sariciftci 著 (編)、Springer Verlag (ベルリン、2003 年)、ISBN 3-540-00405-X
  • 有機太陽電池：メカニズム、材料、デバイス（光工学）サム・シャジン・サン、ニヤジ・セルダール・サリフチ（編）、CRC Press（2005年）、ISBN 0-8247-5963-X
  • 有機エレクトロニクスとフォトニクスのハンドブック（3巻セット）Hari Singh Nalwa著、American Scientific Publishers（2008年）、ISBN 1-58883-095-0
  • Green, Martin A.; Emery, Keith; 菱川義弘; Warta, Wilhelm (2010). 「太陽電池効率表（バージョン36）」 . 『太陽光発電の進歩：研究と応用』 . 18 (5): 346– 352. doi : 10.1002/pip.1021 .
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  • 「プラスチック太陽電池」Christoph J. Brabec、N. Serdar Sariciftci、Jan Kees Hummelen、Advanced Functional Materials、Vol. 11 No: 1、15–26 ページ (2001)
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