有機薄膜太陽電池で効率5.5％、材料開発で接合面積を拡大

図1　東レが開発したドナー材料
開発したドナー材料を用いて、基板上に透明陽極、バッファ層、厚さ100
nmの有機薄膜、陰極を順に積層した太陽電池を試作した。素子の面積は25mm²。日本の地表が受ける太陽光強度に相当するエネルギ密度100mW/cm²という測定条件で、変換効率5.5％を達成した。バンドギャップは1.94eV、短絡電流は9.72mA/cm²、開放電圧は0.99V、曲線因子（FF）は0.574である。出典：東レ

図2　ドナー材料の構造
鎖状に連なるチオフェン（4）の一部を新規の骨格（1）と置き換えることで、HOMO準位を引き下げた。新規の骨格の側鎖は2種類あり、（2）の部分は分子の結晶性の向上に、（3）の部分は溶解性の向上に役立つ。出典：東レ

東レは、有機薄膜太陽電池向けの新材料を開発した（図1）。この材料を用いて、世界最高水準だと主張する5.5％の変換効率を達成した。今後は2015年までに変換効率7％を目指すという。

有機薄膜太陽電池は、Si（シリコン）材料を用いず、有機物だけからなる薄膜でpn接合を形成する。このため、印刷によって製造でき、製造コストを大幅に 引き下げられるロール・ツー・ロール法（R2R法）などを低温下で利用できる。太陽電池自体も折り曲げ可能になり、軽量化しやすい。Si材料を用いた太陽 電池と違って「大型・大電力発電用ではなく、小型電子機器の電源のほか、衣類やテントに組み込む用途を想定している」（東レ）。

一般に太陽電池を形成するためにはp型半導体とn型半導体の2種類の材料が必要だ。材料に有機物を使う場合は通常、n型の有機半導体（アクセプタ）であるサッカーボール状をした「フラーレン」の誘導体^＊1）と、 p型の有機半導体（ドナー）である直線状のポリマーを用いる。これらを溶液中で混合した後、透明電極に塗布することで太陽電池として機能する。太陽光が入 射すると、ドナー材料中でエネルギが高い励起子が発生し、電子と正孔が生まれる。その後、電子と正孔がpn接合の界面のエネルギ準位の違いによって分離す る。このように発電の原理はSi系の太陽電池と同じである。

今回、変換効率を高めた手法は2つある。まず、pn接合のエネルギ準位差を大きくすることである。こうすると得られる開放電圧が高くなる。次に、単位体積 当たりのpn接合の面積を広くすることだ。これによって励起子の拡散距離が短くなり、電子と正孔を取り出せる確率が高まり、電流が大きくなる^＊2）。

東レはドナー材料となるポリマーの分子構造を改良することで、pn接合のエネルギ準位差を大きくし、接合面積を広くした（図2）。チオフェンは4個のC（炭素）原子と1個のS（硫黄）原子が環状に結合した分子で、東レはこのチオフェンが直線状に重合したポリマーをドナーとして利用していた。チオフェン・ポリマーは光吸収やホール輸送を担う。

今回加えたチオフェン以外の骨格部分として、価電子帯のエネルギ準位に相当するHOMO（Highest Occupied Molecular Orbital）準位を下げる効果を持つモノマーを選んだ。開放電圧はHOMOと、伝導帯のエネルギ準位に相当するLUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）との差で決まるため、開放電圧が従来の0.6～0.7Vから約1Vに向上したという。

単位体積当たりのpn接合の面積を広げるためには、アクセプタとドナーがより混ざりやすくなればよい。そのために新たに導入したモノマーに2種類の置換基 を加えた。置換基の1つは結晶性を高める効果を持ち、もう1つは溶解性を高める効果を備える。これにより接合面が複雑な形状を採ることで大面積化するバル クヘテロ構造が安定して形成できたとする。

【脚注】
＊1）東レはPCBM（［6,6］-フェニルC₆₁-ブチル酸メチルエステル）を用いた。

＊2）ドナーとアクセプタの界面が平面となる2層構造の有機薄膜太陽電池では、1％以下の変換効率しか得られない。

【EE Times Japan　2009年5月号「Building Blocks」、p.24 掲載記事】

http://eco.nikkeibp.co.jp/article/news/20100415/103614/

ソース

今後は、電力系統に頼らないものが増えてくる。

街灯や自宅、自動車まで。

ソース

綿の古着を使い燃料を生み出す技術が進んできた。

衣類は人類が生活する以上継続的に消費されるものだ。

しかし、その処分方法は

・捨てる

・途上国へ寄付

この2つしか最終的な処理方法は無かった。

ここにもうひとつ

・燃料に変える

というオプションが出来た。

問題はそのコストだ。

200円/lでは競争力は無い。

A technology to generate fuel with cotton clothes is developed recently.

The clothes must be consumed continually unless humanity choice to quit living anymore.

The ways to dispose were below

・just getting rid of clothes

・offer people of developing country them.

We had only these two choice.

Now we get the third choice to change them into fuel.

Though the cost is 200JPY/l, the future is interesting for me.

ソース

今までは、太陽電池のデバイスとしての効率を追求する話がメインだった。

しかし、これは逆に太陽光をデバイスに最適化するという話です。

非常に興味をそそられます。

Up to now, researcher tend to enhance the conversion rate of the solar cell.

But this is another approach.

The notion is that it optimize the solar light.

I was much interested in this research.

ソース

注目すべきはそのエネルギー密度。

欠点は使い捨て。

ただ、今までの電池などの給電Systemとは異なった「蓄えたエネルギーの減少が無い」ことはすごいと思う。

We should notice the density of energy.

Also it has disadvantage about the regulation to be able use it only one time.

I feel that the feature that amount of charged energy never decrease is great.

ソース

無線給電の規格統一を目指している団体のひとつにWireless Power Consortium（WPC）があります。

サムスン、LG、sonyが支持していますが、まだmotrolaなどは協力していないようです。

何はともあれユーザーにとってはうれしいニュース。

WPC is a association that aim to regiment wireless power supply.

The organization was supported by LG, Somsung and sony erricson.

This is beneficial for all of us.

http://japan.cnet.com/news/biz/story/0,2000056020,20409264,00.htm

ぶっちゃけ買った人が損をする。

元は取れないどころか、記事にもあるように膨張率の違いで故障するリスクもある。

さらに１Kwが実現したとしても、たかだか10Aである。

現在１０A 契約で生活している人など居るわけがない。

平均的な家庭は少なくとも30A契約だろう。

しかも、これは温暖化の根本的な解決になっていない。

望ましい条件で数十パーセントエネルギー効率が良いというだけの話である。

これは発電時の発熱を利用していることに起因する。

しかし、湯を沸かしたエネルギーがすべて有効に使われるかといえばそんなわけは無い。

電気の需要にあわせて発電→発電量に応じて発熱

こういうわけで、理想的にはならない。

燃料電池の良い点は、Co2云々というよりは、充電なしに電気の補充が出来る点だ。

従来の蓄電はバッテリーがメイン。

大雑把に言って、充電に非常に時間がかかる。

それに対して、燃料電池はその名の通り燃料（水素やガス）を補充すれば発電ができる。

この点がメリットだ。

Co2排出を完全に抑えるには、今現在では太陽光発電Or風力→蓄電の独立した系統で運営するほか無い。

In fact, person who install fuel cell must lose money.

He/she can not get more money than they paid to the fuel.

Moreover the fuel would break down because of the difference of expansion rate.

The accommodation of electricity is also matter because anyone can not spend daily life with only 1kw.

Average family require more than 3kw.

Additionally, we can not resolve the problem of CO2 emission.

Fuel cell can reduce about 10 – 20 % energy loss in the favorable situation with heat that is generated by electrical generation.

Please think that we use hot water according to the amount of electricity demand or not?

The answer is not.

Therefore we can not use the entire heat energy. 

Rather than the efficiency of fuel cell, we should recognize that it is the most important feature to be able to change the fuel instantly.

Comparing to the battery, we are not required charging time.

It is the only way to make no co2 emission energy generation that we make solar cell, wind mill, and battery charger.

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20100216/180282/

太陽光パネルに光を当てると、当然ながら電圧が発生します。

しかし、その結果消費される電力は電流にも依存してきます。

P（消費電力）＝V（電圧）×I（電流）

こんな中学校で習った関係式からもわかります。

つまり、太陽光の出力は電圧と電流で決まります。

ここで厄介なのはその時々の電流値で出力の最大値が変わります。

常に最高出力を出す電流に負荷を制御しなければいけないのです。

負荷を制御するというのは違和感を感じると思いますが、実際は太陽電池と負荷の間に制御するデバイスを置きます。

ここで、常に出力Pが最大となるように追従制御をするのですが、このことをMPPT（Maximum power point tracking）といいます。

通常は、微妙に電流を変化させ、電力が増加したほうに変化させ最大出力となる点を探す（山登り法）。

しかし、時にはP-I特性が２山のときがあり、このときは追従できない。（リンク先写真参照）

こんなときには、今回開発した方式が役に立つようだ。

でも、P-I特性がなぜ瞬時にわかるのか仕組みがよくわからない？？

If you shed light on a solar cell, electric voltage is generated as you know.

From the principal "P=VI", the consumed energy is influenced by current.

In short, the energy out put is decided by current and voltage.

Then we must know the problem that the condition of maximum power point change time to time.

We should find the point and change the current.

You would feel odd about changing load because electric energy company can not change it.

Actually a device which is installed between cell and load change condition.

This process is named for MPPT, maximum power point tracking.

Normally, inspect the subtle difference by changing current, and control current into better point.

But sometime this process fails if there are two tops.

The new way make a contribution in this condition though I do not figure out the theory.