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Nov 18, 2023

有機太陽電池がなぜこれほど早く劣化するのかを研究が証明

Gli scienziati dell’Università di Cambridge hanno scoperto un motivo importante per cui.

ケンブリッジ大学の科学者らは、有機太陽電池が屋外で使用すると急速に劣化する重要な理由を明らかにした。 有機太陽電池はクリーンエネルギー用途に大きな期待を寄せています。 しかし、有機半導体で作られた太陽電池モジュールは、太陽光の下では実際の用途に十分な長時間効率を維持できません。

この報告論文はジュール誌に掲載されました。

新しい洞察により、有機半導体ベースの太陽光発電用のより安定した材料の設計が推進され、安価で再生可能な発電が可能になります。

有機（炭素ベース）半導体で作られた太陽電池が太陽光を電気に変換する効率が最近向上したため、これらの光起電力デバイスの長期安定性の向上がますます重要なテーマになっています。

この技術を実際に応用するには、光起電力デバイスの効率を長年にわたって維持することが必要です。 この重要な問題に対処するために、研究者らは、有機太陽電池の光吸収層に使用される 2 つの成分、「電子供与体」材料と「電子受容体」材料の劣化メカニズムを研究しました。 これら 2 つの成分は、光子の吸収後に形成される束縛された電子と正孔のペアを、電流を構成する自由電子と正孔に分割するために必要です。

この画像は、有機太陽電池が暴露により劣化するにつれて進行する様子を示しています。 この調査では、チームが発見した問題と、設計をどのように改善できるかが示されています。 画像クレジット: ケンブリッジ大学。 詳細については、Joule に掲載された研究レポート論文をクリックしてください。 投稿時には、論文はペイウォールなしでオープンアクセスになります。

この新しい研究では、ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所が率いる国際研究チームが、電子供与体材料と電子受容体材料の両方の分解経路を初めて検討しました。 電子供与体材料の詳細な研究は、現在の研究成果を以前の研究とは区別し、この分野に重要な新しい洞察を提供します。

具体的には、電子供与体材料に特有の超高速失活プロセスの同定はこれまで観察されておらず、有機太陽電池の材料劣化を考慮するための新しい角度を提供します。

これらの物質がどのように劣化するかを理解するために、キャベンディッシュの研究者らは、英国、ベルギー、イタリアの科学者との国際チームの一員として取り組みました。 彼らは、動作中の太陽電池が太陽光にほぼ一致する強い光にさらされる太陽光発電デバイスの安定性の研究と、ケンブリッジで実施された超高速レーザー分光法を組み合わせました。

このレーザー技術を通じて、彼らはポリマー鎖のねじれを伴う電子供与体材料の新しい劣化メカニズムを特定することができました。 その結果、ねじれたポリマーが光子を吸収すると、フェムト秒の時間スケール (100 万分の 1 秒) で非常に急速な不活性化経路が発生します。 この望ましくないプロセスは、光子からの自由電子と正孔の生成を上回るほど高速であり、科学者らはこれを、模擬太陽光にさらされた後の有機太陽電池の効率低下と相関させることができた。

この論文の筆頭著者であるアレックス・ジレット博士は、「ポリマー鎖のねじれのような一見些細なことが太陽電池の効率にこれほど大きな影響を与える可能性があることを発見したのは興味深いことでした。将来的には、 「我々は、化学グループと協力して、より剛性の高いポリマー主鎖を持つ新しい電子供与体材料を設計することで、我々の発見をさらに発展させます。これにより、ポリマーのねじれの傾向が軽減され、有機太陽電池デバイスの安定性が向上することを期待しています。」

有機太陽電池は、そのユニークな特性により、従来のシリコン太陽光発電が適さない幅広い用途に使用できます。 これには、光合成に必要な光の色を伝える温室用の発電窓や、持ち運びや移動発電を容易にするために丸めることができる太陽光発電も含まれる可能性があります。 したがって、解決する必要がある劣化メカニズムを特定することにより、現在の研究は次世代の太陽光発電材料と応用を現実に直接近づけることになります。

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有機太陽光発電には、最後の段落で述べたよりもはるかに大きな可能性があります。 そして、長寿の問題は何年も前から問題になっています。 これが大幅な改善であることを願う人もいるでしょうし、実際にそうなる可能性もありますが、有機物は直射日光下で安定に保つのが難しいため、これが多くの解決策のうちの最初の解決策となる可能性があります。

しかし、この研究は、研究への関心が答えを導き出しつつあることを示しています。 有機細胞が低コストでこれほど広範な機会を提供することを考慮すると、進歩が続くと考えるのには十分な理由があります。

このチームの取り組みが「大きな飛躍」となること、そしてさらなる進歩を期待してお祝いの言葉が送られることを願っています。

ブライアン・ウェステンハウス著、New Energy and Fuelより

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