日本東京農工大學的嘉治壽彥副教授和片山美樹雅研究員與日本分子科學研究所的平本昌宏教授和中尾聰研究員等人組成的研究團隊發現，如果適當地使有機色素結晶，即使厚度增至10μm，也可以在幾乎不降低效率的情況下，作爲有機薄膜光伏電池的光電轉換層使用。這表明，有機色素的厚度即使遠遠大於原來的設想也能正常用作光電轉換元件。今後有望透過應用晶體優點的設計，促進有機薄膜光伏電池和有機發光二極體等有機光電轉換元件的研究開發。
研究背景：
在轉換發光能量和電能的光電轉換元件中，有機色素作爲光電轉換層使用的厚度通常僅限於奈米級厚度，因爲混合有機色素製作光電轉換層時，電阻通常會增大。
研究成果：
此次該研究團隊發現，如果讓有機色素適當結晶，即使厚度增至10μm，也可以作爲有機薄膜光伏電池的光電轉換層使用。本次研究中使用的材料是常見的有機色素足球狀分子富勒烯類（C60）與油漆材料中使用的酞青素的組合，這些材料在過去幾十年來一直被作爲標準的有機薄膜光伏電池用有機色素進行研究開發。通常情況下，使用這樣組合的有機色素的有機光伏電池的厚度一旦超過40～50nm效率就會下降。而此次發現，在混合這些有機色素的同時，使其成長爲適當尺寸（直徑100nm左右）的晶體（圖1），即使厚度增至10μm，效率也幾乎沒有下降（圖2）。另外還證明，在40nm～1μm的廣大厚度範圍内，有機色素吸收的光和發電的電流會完美地對應增加（圖3）。
圖1：10μm厚度的光電轉換層的截面顯微鏡影像
圖2：不同光電轉換層的厚度帶來的效率變化比較
圖3：吸收的光與發電電流的對應
未來展望：
本次研究實施的10μm的厚度遠遠超過了吸收大部分可見光的厚度，因此不能直接用於有機薄膜光伏電池和有機發光二極體產品。經應答，儘管通常利用的有機色素厚度爲數奈米到數十奈米，如果適當進行結晶，以往不敢想像的10μm厚度也可作爲光電轉換層正常使用。因此，今後有望透過應用了晶體優點的設計，促進有機光電轉換元件的研究開發。
論文資訊
論文題目：Ultra-Thick Organic Pigment Layer Up to 10 μm Activated by Crystallization in Organic Photovoltaic Cells
期刊：《Frontiers in Energy Research》
DOI：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2020.00004
文：JST客觀日本編輯部編譯
