理研ら，無機並み低損失をOPVで実現

JST戦略的創造研究推進事業において，理化学研究所（理研）と京都大学の共同研究チームは，新しく開発した半導体ポリマーを用いることで，有機薄膜太陽電池（OPV）の光エネルギー損失を無機太陽電池並みまで低減することに成功した（ニュースリリース）。

半導体ポリマーをp型半導体材料として用いるOPVは，プラスチック上に作製できるため，軽量で柔軟という特長を持つ。さらに，半導体ポリマーを塗布することで作製できることから，低コスト，低環境負荷なプロセスで大面積化が可能なため，次世代の太陽電池として注目されている。

OPVの実用化には，エネルギー変換効率の向上が最も重要となる。しかし，OPVでは吸収した太陽光エネルギーを電力に変換する際に失うエネルギー（光エネルギー損失）が0.7～1.0eVと，市販のシリコン太陽電池などの無機太陽電池が0.5eV以下であるのに対して，非常に大きい値を示す。

そのため，同じ太陽光エネルギーを吸収しても，OPVは無機太陽電池に比べて出力される電圧が低くなり，高効率化の壁となっていた。

今回，理研のチームは，「PNOz4T」という新しい半導体ポリマーを開発した。PNOz4Tは，同チームが2012年に開発した10%の変換効率を示す半導体ポリマー「PNTz4T」の分子構造に改良を加えたもの。

これら2つの半導体ポリマーは，吸収できる太陽光エネルギー（バンドギャップ）は，約1.5eVとほぼ同じだが，PNOz4Tを用いて作製したOPV（PNOz4T素子）が出力する電圧は1.0Vであり，PNTz4T素子の0.7Vよりもはるかに高い値を示した。

その結果，PNOz4T素子は約0.5eVと無機太陽電池並みに小さい値となった。PNOz4T素子のエネルギー変換効率は約9%であり，PNTz4T素子の10%には及ばないものの，それでもOPVとしては高い値を示した。

光エネルギー損失が無機太陽電池並みに小さいOPVは，あまり報告例がないうえに，出力される電圧が高い一方で電流が小さいため，エネルギー変換効率は1~6%程度だった。

すなわち，この研究で開発したPNOz4T素子は，これほど光エネルギー損失が小さい系においては，世界最高レベルのエネルギー変換効率を示すOPVだとしている。

さらに，京都大学のチームは，PNOz4T素子の光エネルギー損失が小さい要因について，分光法を用いて詳細に解析した。一般的に，OPVでは半導体ポリマーが吸収した太陽光エネルギーを電力に変換するためには，駆動力となるエネルギーを必要とする。

OPVに太陽光が照射されると，半導体ポリマーはバンドギャップの分だけエネルギーが高い状態に変化する（励起状態）。電力を生じるためには，励起状態から，エネルギーの低い状態（電荷移動状態）に変化する必要がある。

このとき，励起状態と電荷移動状態とのエネルギー差が駆動力となり，一方で，この駆動力がOPVに特有のエネルギー損失の一因となる。PNOz4T素子では，この駆動力となるエネルギー差がほぼゼロであるにもかかわらず電力を生じることが分かった。

その結果，光エネルギー損失が低減され，PNTz4Tに比べて電圧が高くなることが分かった。さらに解析を進めたところ，PNOz4T薄膜の膜質に改善の余地があることが分かった。

今後，材料や製膜プロセスの改良により膜質を改善することができれば，電流を増大することができ，エネルギー変換効率が向上する可能性があるとしている。

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