有機系太陽電池（OPV）は、プラスチックなどの有機材料で作られた新しいタイプの太陽電池です。OPVは、まだ開発途上ですが、従来のシリコン太陽電池よりも安価で柔軟な特性を持っているため、将来有望な技術として注目されています。Organic photovoltaic cells (OPVs) are a new type of solar cell that is made from organic materials, such as plastics. OPVs are still under development, but they have the potential to be cheaper and more flexible than traditional silicon solar cells.
OPVの開発において、最も重要な課題の一つは、バルクヘテロ接合層の構造（BHJ構造）を制御することです。BHJは、OPVにおいて光が吸収され、電気エネルギーに変換される層です。BHJは、ドナー材料とアクセプター材料の2種類の有機材料から構成されています。ドナー材料は光を吸収して電子を作り出し、アクセプター材料は電子を受け取ってOPVの電極に運搬します。Organic photovoltaic cells (OPVs) are a new type of solar cell that is made from organic materials, such as plastics. OPVs are still under development, but they have the potential to be cheaper and more flexible than traditional silicon solar cells.
OPVの効率は、BHJ構造に依存します。BHJは、できるだけ多くの光を吸収できるように、表面積が大きくなければなりません。また、電子をドナーからアクセプターに効率的に移動させることができるように、ドナーとアクセプター材料の距離が短くなければなりません。One of the key challenges in developing OPVs is controlling the bulk heterojunction (BHJ) structure. The BHJ is the layer of the OPV where the light is absorbed and converted into electricity. The BHJ is made up of two different types of organic materials: a donor material and an acceptor material. The donor material absorbs the light and generates electrons. The acceptor material accepts the electrons and transports them to the electrodes of the OPV.
今回の研究では、箕田研究室が開発したフェーズプレート走査透過型電子顕微鏡（P-STEM）と呼ばれる技術を使用して、OPVのBHJ構造を可視化しました。P-STEMは、材料を原子レベルで画像化するために使用できる強力な技術です。In this study, the researchers (Minoda Lab and Kaji Lab) used a powerful technique called phase plate scanning transmission electron microscopy (P-STEM) to image the BHJ structure of an OPV at the atomic level. They found that the BHJ structure is very complex, with a hybrid layer of donor and acceptor materials at the interface.
箕田研究室と嘉治研究室の皆さんは、金属フリーフタロシアニン（H2Pc）をドナー材料、フラーレン（C60）をアクセプター材料として作製したサブミクロン（数百ナノメーター）厚のOPVをP-STEMで画像化しました。その結果、OPVのBHJ構造は非常に複雑であることがわかりました。ドナー材料とアクセプター材料の界面には、H2PcとC60のハイブリッド層が存在していました。このハイブリッド層は、膜成長の初期段階に「臨界膜厚」に達するまで形成され、その後、相分離した規則的なBHJが成長しました。
この観察結果は、P-STEMが有機ハイブリッド材料の分析に大きな可能性を秘めていることを示しています。P-STEMは、OPVのBHJ構造を詳細に研究するために使用することができ、これはより効率的なOPVの開発に役立つでしょう。This observation demonstrates the potential of P-STEM for analyzing organic hybrid materials, such as the BHJ in OPVs. By studying the BHJ structure in detail, researchers can develop more efficient OPVs.
Visualization of Tens of Nanometers Spaced Donor: Acceptor Bulk Heterojunctions across Submicrometer-Square Cross Sections of Organic Photovoltaic Cells (Natsuki Kumagai, Toshiki Shimizu, Hiroki Minoda*, Mikimasa Katayama, Satoru Nakao, and Toshihiko Kaji) ACS Appl. Energy Mater. 2023 https://doi.org/10.1021/acsaem.3c01262
Supporting Info/補助説明資料（free-download）
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.3c01262?goto=supporting-info
Text: WL