日本理化學研究所（簡稱「理研」）的專職研究員福田憲二郎和主任研究員染谷隆夫等組成的國際聯合研究團隊，成功開發了同時具備高能源轉化效率和長期穩定性的超薄有機光伏電池。該研究成果有望作爲可穿戴電子設備及軟機器人用感測器和致動器等的輕量柔性電流源使用。
圖1：兼具高能源轉化效率和長期保持穩定性的超薄有機光伏電池
此次開發的有機光伏電池非常薄，從基底層到封裝膜全部加在一起的膜厚只有3μm。但能源轉化效率卻能達到13％，在空氣中保存3,000小時後，依然能保持初始能源轉化效率的95％以上（圖2）。在以前的研究中，可達10.5％的能源轉化效率和95％的保持率的超薄有機光伏電池，只能在空氣中保存約200小時。與之相比，新開發品的能源轉化效率約提高到1.2倍，穩定性提高到15倍。
圖2：此次開發的超薄有機光伏電池的長期保存穩定性大幅提高
橫軸表示在大氣中室溫遮光條件下的保存週期，縱軸表示能源轉化效率的保持率。本研究中，保存3,000小時後，保持率仍達到95％以上。研究團隊之前的研究中，95％的保持率只能保存到200小時左右。由此可見，此次保持率提高到之前的15倍。
這項研究成果的重點是，透過兼具高能源轉化效率和熱穩定性的新型供體-接受者材料混合膜設計改良了發電層，後退火處理改善了發電層與電洞傳輸層界面的電荷運輸（圖3）。
圖3：兼具高能源轉化效率和長期保存穩定性的設計指南
供體材料採用半導電聚合物PBDTTT-OFT，接受者材料採用非富勒烯類衍生物IEICO-4F，製作了兼具高能源轉化效率和熱穩定性的發電層。在製作元件後實施後退火處理（150℃，5分鐘），改善了發電層與電洞傳輸層界面的電荷運輸，同時改善了長期保存穩定性。
PBDTTT-OFT供體材料是東麗公司近年來新開發的熱穩定性優異的半導電聚合物。此前的研究中，製作與PBDTTT-OFT隨機混合的體異質接面結構發電層時，接受者材料一直選用富勒烯類衍生物。但這種組合無法充分發揮PBDTTT-OFT的高效率和熱穩定性等特點。此次接受者材料改爲非富勒烯類衍生物IEICO-4F，從而製作出了集光性和熱穩定性更優異的發電層。
論文資訊
題目：Highly efficient organic photovoltaics with enhanced stability through the formation of doping-induced stable interfaces
期刊：《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》
DOI：10.1073/pnas.1919769117
文：JST客觀日本編輯部
