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平成23年9月16日

自然科学研究機構 分子科学研究所
科学技術振興機構(JST)

高変換効率の有機薄膜太陽電池の設計に道を拓く

100万分の1精度の三元ドーピングにより、薄膜のエネルギー構造を自在に制御

自然科学研究機構 分子科学研究所の平本 昌宏 教授と総合研究大学院大学 物理科学研究科 博士課程学生の石山 仁大 氏らの研究グループは、ドーピング技術により、有機薄膜太陽電池の共蒸着膜の特性を、n型、絶縁体型、p型と自在に制御することに成功しました。

n型の有機半導体であるフラーレン分子(C60)と、流れる光電流を劇的に増加させることが知られているアルファセキチオフェン(6T)と共に、ドーパントとしてモリブデン酸化物(MoO)を同時に蒸着する三元蒸着により、共蒸着薄膜を作製しました。MoOの蒸着速度を、コンピュータを用いてきわめて精密に制御することにより、蒸着膜の膜厚の正確な制御ができるようになり、ドーピング濃度をppm(100万分の1)の超極微量の精密さで自在に操る手法を確立しました。このppmドーピング技術により、n型を示すC60と6Tの共蒸着膜に、MoOドープすることにより、共蒸着膜そのものの太陽電池特性(エネルギー構造)を、n型、絶縁体型、p型と自由自在に制御することに世界で初めて成功しました。現代の有機太陽電池では、必ず共蒸着膜が使われます。そのため、共蒸着膜を直接pn制御する今回の成果は、有機太陽電池の設計・制御可能な製造のための決定的な基盤技術であり、今後様々な物質への適用による電池効率の飛躍的向上が期待されます。

本成果は、JSTの戦略的創造研究推進事業(CREST)の研究領域「太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出」の一環として行われ、アメリカ物理学協会の発行する応用物理学の専門速報誌『Applied Physics Letters』のオンライン版に近く掲載される予定です。

<研究の背景>

有機太陽電池は、有機半導体を用いたデバイスとして産業的な利用が強く望まれているものです。しかし、既に広く実用化されている無機系のシリコン太陽電池では、シリコン(Si)結晶中にリン(P)がドープされたn型半導体と、シリコン(Si)結晶中にホウ素(B)がドープされたp型半導体についての基礎科学が確立されているため、エネルギーバンド構造を理論的に書くことができ、それに基づいた電池の設計、性能予測を行うことができるのに対して、有機太陽電池についてはその基礎科学的な研究が十分ではありません。このため、電池の性能を設計・予測して製造するためには、有機太陽電池の電圧の起源(内蔵電界)を生み出す有機半導体についての基礎的な研究が必要とされていました。

分子科学研究所の平本教授は、今年3月に、代表的なn型有機半導体であるフラーレン(C60)にモリブデン酸化物(MoO)を共蒸着によりドープし、p型になることを世界で初めて示しました(分子科学研究所プレスリリース3月1日)。これは、有機太陽電池も無機系太陽電池のように、設計した性能のものを制御可能な方法で製造することができることに道を拓きました。しかし、単独C60では光電流の大きさが小さく、実用レベルの光エネルギーの変換効率の向上を目指すためには、現在主流で実用的光電流量を発生できる、アクセプター性のC60とドナー性の有機半導体(例えば、今回のアルファセキシチオフェン)の共蒸着膜に対して直接高精度のドーピングによるpn制御注1)を確立する必要があります。しかし、三元蒸着やppmドーピング(ppmは100万分の1)という、有機半導体に対してこれまでに例のない高度な技術を開発する必要があり、世界的にも誰も手を付けていませんでした。

<研究の成果>

研究グループは、n型の有機半導体であるフラーレン分子(C60)と、流れる光電流を劇的に増加させることが知られているアルファセキチオフェン(α−6T、または単に6T)の共蒸着膜に対して、ドーパントとしてモリブデン酸化物(MoO)を同時に蒸着する三元蒸着(図1)により、ドープされた共蒸着薄膜を作製しました。

今回、MoOの蒸着速度を、コンピュータを用いてきわめて精密に制御すること、即ち、ゆっくりとした速度で蒸着する手法を確立したことにより、蒸着膜の膜厚が正確に制御できるようになり、ドーピング濃度を100万分の1(ppm)レベルで自在に操ることができるようになりました。MoOが20ppmというごく微量な量でもドーピングを精密に行うことに成功しました。

この手法により、MoOドープ濃度が、0ppm、400ppm、600ppm、1100ppm、4300ppmの薄膜を作製し、光を照射したときに生じる電流を測定しました(図3)。

様々なMoOドープ濃度について調べた結果、ドープ濃度が0ppmと400ppmのときはn型、600ppmのときは絶縁体類似型、1100ppmと4300ppmのときはp型の構造となることがわかりました(図4)。

この結果は、ドーピング技術により、共蒸着膜の特性を、n型、絶縁体型、p型と自在に制御できることを世界で初めて示したものです。

さらに、p型層にMoOドープ濃度が3000ppmの共蒸着膜を用い、疑似n型層としてドープしないものを用いて、疑似pn電池を作製しました(図5)。

<今後の展開とこの研究の社会的意義>

今回、フラーレンと6Tの共蒸着膜にMoOドープすることにより、ドナー(6T)、アクセプター(C60)共蒸着膜の太陽電池特性(エネルギー構造)を、n型、絶縁体型、p型と自由自在に制御することに成功しました。n型、p型、絶縁体型は、太陽電池の設計の基本的パーツです。このことは、有機太陽電池も無機系太陽電池のpn接合、pin接合、タンデム接合などのように、設計した性能予測可能な太陽電池を制御可能な方法で製造することができる重要な基盤技術の一つを確立したという意義をもちます。今回確立した手法は、今回実験に使用した物質以外にも普遍的に適用ができるため、6Tに代わる、より効果的な物質を探索し、その物質に適用することでさらに変換効率の向上が期待できます。

<参考図>

図1

図1 三元蒸着によるモリブデン酸化物(MoO)のドーピング

図2

図2 ドーピングのメカニズムのモデル図

60と6Tは両方ともp型として働く

図3

図3

図4

図4 様々なMoOドープ濃度での蒸着薄膜の特性

0ppmと400ppmのときはn型、
600ppmのときは絶縁体類似型、
1100ppmと4300ppmのときはp型

図5

図5 疑似pn電池の構造と電池の性能

<用語解説>

注1) ドーピングによるpn制御
無機系(シリコン)半導体では、シリコン(Si)結晶中にリン(P)がドープされたn型半導体と、シリコン(Si)結晶中にホウ素(B)がドープされたp型半導体のpn制御ができる。

n型シリコン半導体             p型シリコン半導体

有機半導体でも、有機半導体分子間に適切なドーパントを導入することにより、
n型とp型の制御ができるのではないかという発想が、今回の成果につながった。

<論文情報>

掲載誌:Applied Physics Letters(アプライドフィジックスレターズ)

(アメリカ物理学協会の発行する応用物理学の専門速報誌)

論文タイトル:Doping-based control of the energetic structure of photovoltaic co-deposited films

 (共蒸着薄膜太陽電池のエネルギー構造のドーピングによる制御)

doi: 10.1063/1.3643045

著者:Norihiro Ishiyama, Masayuki Kubo, Toshihiko Kaji, Masahiro Hiramoto

掲載日:2011年9月 近日中にオンライン版掲載予定

<研究グループ>

本研究は自然科学研究機構分子科学研究所・平本グループ(平本 昌宏 教授)により行われました。

<研究サポート>

本研究は、JSTのCREST(研究領域「太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出」、研究総括:山口 真史(豊田工業大学 大学院工学研究科 主担当教授))における、研究課題「有機太陽電池のためのバンドギャップサイエンス」(研究代表者:平本 昌宏 教授)の一環として行われました。

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

平本 昌宏(ひらもと まさひろ)
自然科学研究機構 分子科学研究所 物質分子科学研究領域 教授
Tel:0564-59-5537
E-mail:

<JSTの事業に関すること>

河村 昌哉(かわむら まさや)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
Tel:03-3512-3531 Fax:03-3222-2066
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<報道に関すること>

自然科学研究機構 分子科学研究所 広報室
報道担当:寺内 かえで
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科学技術振興機構 広報ポータル部
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