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（Ｃ_６０）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_３）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_３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Ｃ_６０と６Ｔの共蒸着膜に、ＭｏＯ_３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『ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ』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（Ｃ_６０）にモリブデン酸化物（ＭｏＯ_３）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Ｃ_６０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Ｃ_６０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（Ｃ_６０）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_３）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_３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_３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_３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_３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_３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_３ドープすることにより、ドナー（６Ｔ）、アクセプター（Ｃ_６０）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。