有機太陽電池

有機太陽電池（OSC ^[1]）またはプラスチック太陽電池は、導電性有機ポリマーまたは小さな有機分子を扱う電子工学の分野である有機エレクトロニクス^{[2]を使用して、光吸収と電荷輸送を行い、}光起電力効果によって太陽光から電気を生成するタイプの太陽光発電です。ほとんどの有機光電池はポリマー太陽電池です。

有機太陽電池に使用される分子は、高スループットで溶液処理可能であり、安価なため、大量生産時の生産コストが低く抑えられます。^[3]有機分子の柔軟性と組み合わせると、有機太陽電池は、光起電用途にとって潜在的に費用対効果が高いです。^[4]分子工学（例：ポリマーの長さと官能基の変更）によりバンドギャップを変更し、電子調整が可能になります。有機分子の光吸収係数は高いため、通常は数百ナノメートルのオーダーの少量の材料で大量の光を吸収できます。有機光起電セルに関連する主な欠点は、シリコン太陽電池などの無機光起電セルと比較して、効率が低く、安定性が低く、強度が低いことです。

シリコンベースのデバイスと比較すると、ポリマー太陽電池は軽量（小型の自律センサーには重要）、使い捨て可能、製造コストが安価（プリンテッドエレクトロニクスを使用する場合もある）、柔軟性、分子レベルでのカスタマイズが可能で、環境への悪影響が少ない可能性があります。ポリマー太陽電池は透明性を発揮する可能性もあるため、窓、壁、フレキシブルエレクトロニクスなどへの応用が考えられます。デバイスの例を図1に示します。ポリマー太陽電池の欠点も深刻で、ハードマテリアルの約1/3の効率しかなく、光化学的劣化が顕著です。^[5]

ポリマー太陽電池は安定性の問題^[6]と低コスト^[7]および効率向上の可能性^[8]が相まって、太陽電池研究の人気分野となっている。2015年には、ポリマー太陽電池はタンデム構造により10%を超える効率を達成していた^{[9] 。2023年には、}香港理工大学が19.3%という新たな記録的な効率を達成した^[10]。

光電池は、光を直流(DC) 電気に変換する特殊な半導体ダイオードです。光吸収材料のバンドギャップに応じて、光電池は低エネルギーの赤外線 (IR) または高エネルギーの紫外線 (UV) 光子を DC 電気に変換することもできます。光電池の光吸収材料として使用される小分子とポリマー (図 3) の両方に共通する特性は、すべてが大きな共役系を持っていることです。共役系は、炭素原子が交互に単結合と二重結合で共有結合する場所で形成されます。これらの炭化水素の電子pz 軌道は非局在化し、π*反結合軌道を持つ非局在化結合 π 軌道を形成します。非局在化した π 軌道は最高被占分子軌道 ( HOMO ) であり、π* 軌道は最低空分子軌道 ( LUMO ) です。有機半導体物理学では、HOMOは価電子帯の役割を果たし、LUMOは伝導帯として機能します。HOMOとLUMOのエネルギーレベル間のエネルギー差は有機電子材料のバンドギャップと考えられており、通常は1～4 eVの範囲です。^[11]

材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを持つすべての光は吸収されますが、バンドギャップを小さくすることにはトレードオフがあり、バンドギャップよりも高いエネルギーで吸収された光子は余分なエネルギーを熱的に放出し、電圧と電力変換効率が低下します。これらの材料が光子を吸収すると、励起状態が生成され、分子またはポリマー鎖の領域に閉じ込められます。励起状態は、励起子、つまり静電相互作用によって結合した電子と正孔の対と見なすことができます。光電池では、励起子は有効場によって自由な電子と正孔の対に分解されます。有効場は、2 つの異なる材料の間にヘテロ接合を作成することによって設定されます。有機光電池では、有効場によって励起子が分解され、電子が吸収体の伝導帯からアクセプター分子の伝導帯に落ちます。アクセプター材料の伝導帯端は、吸収体材料の伝導帯端よりも低くする必要があります。^{[12] [13] [14] [15]}

ポリマー太陽電池は、通常、インジウムスズ酸化物（ITO）導電性ガラスの上に電子または正孔ブロック層があり、その上に電子供与体と電子受容体（バルクヘテロ接合太陽電池の場合）、正孔または電子ブロック層、そしてその上に金属電極が続きます。ブロック層の性質と順序、および金属電極の性質は、セルが通常のデバイス構造に従うか、反転型デバイス構造に従うかによって異なります。反転型セルでは、正極と負極が逆になっているため、電荷は通常のデバイスとは逆方向にデバイスから出ていきます。反転型セルでは、より適切な材料で作られたカソードを利用できます。反転型 OPV は通常構造の OPV よりも寿命が長く、通常、従来の OPV よりも効率が高いです。^[16]

バルクヘテロ接合ポリマー太陽電池では、光が励起子を生成する。その後、デバイスの活性層内で電子ドナーとアクセプターの混合体間の界面で電荷が分離する。これらの電荷はデバイスの電極に輸送され、そこで電荷はセルの外側に流れ、仕事をした後、反対側からデバイスに再び入る。セルの効率はいくつかの要因、特に非双極再結合によって制限される。正孔移動度は活性層全体の伝導を速める。^{[17] [18]}

有機太陽電池は、半導体 p-n 接合ではなく、電子供与体と電子受容体の材料でできています。有機 PV セルの電子供与体領域を形成する分子は、励起子電子正孔対が生成される場所で、通常、炭素 p 軌道混成の結果として生じる非局在化 π 電子を持つ共役ポリマーです。これらの π 電子は、分子の最高被占分子軌道(HOMO)から最低空分子軌道(LUMO) までのスペクトルの可視部分またはその付近の光によって励起され、π -π* 遷移で表されます。これらの軌道間のエネルギーバンドギャップによって、吸収できる光の波長が決まります。

バンド構造と非局在化した電子を持つ無機結晶性 PV セル材料とは異なり、有機光起電力素子の励起子は 0.1 ～ 1.4 eVのエネルギーで強く結合しています。この強い結合は、有機分子の電子波動関数がより局在化しているために発生し、静電引力によって電子と正孔が励起子として一緒に保持されます。電子と正孔は、電子の化学ポテンシャルが減少するインターフェイスを提供することで解離できます。光子を吸収する材料はドナーであり、電子を獲得する材料はアクセプターと呼ばれます。図 3 では、ポリマー鎖がドナーで、フラーレンがアクセプターです。解離後も、電子と正孔は「ジェミネート ペア」として結合したままになっている可能性があり、その場合はそれらを分離するために電界が必要になります。電子と正孔は接点で収集する必要があります。電荷キャリアの移動度が不十分な場合、キャリアはコンタクトに到達せず、トラップ サイトで再結合するか、新しいキャリアの流れを妨げる望ましくない空間電荷としてデバイス内に残ります。後者の問題は、電子と正孔の移動度が一致していない場合に発生する可能性があります。その場合、空間電荷制限光電流 (SCLP) によってデバイスのパフォーマンスが低下します。

有機太陽電池は、活性ポリマーとフラーレンベースの電子受容体を使用して製造できます。このシステムに可視光を照射すると、ポリマーからフラーレン分子への電子移動が起こります。その結果、光誘起準粒子、つまりポーラロン（P ⁺）がポリマー鎖上に形成され、フラーレンはラジカルアニオン（C⁻
₆₀ポーラロンは非常に可動性が高く、拡散して消えていく可能性があります。

有機太陽電池では、接合部はデバイスの構造内の異なる層または材料間のインターフェースです。これらのインターフェースは、太陽光が吸収されたときに生成される電荷​​キャリア (電子と正孔) の分離と収集に寄与します。これらの接合部の特性と構造は、有機太陽電池の効率、安定性、および全体的なパフォーマンスに影響します。

最も単純な有機 PV デバイスは、平面 ヘテロ接合を特徴としています (図 1)。 電子ドナーまたは電子アクセプタータイプの有機活性材料 (ポリマーまたは小分子) のフィルムが、接点の間に挟まれています。 活性材料で生成された励起子は、再結合して分離する前に拡散し、正孔と電子が特定の収集電極に拡散します。 一般的なアモルファス有機半導体では電荷キャリアの拡散距離がわずか 3 ～ 10 nm であるため、平面セルは薄くする必要がありますが、薄いセルは光の吸収が少なくなります。 バルクヘテロ接合 (BHJ) はこの欠点に対処します。 BHJ では、電子ドナー材料とアクセプター材料のブレンドが混合物としてキャストされ、その後相分離します。 デバイス内の各材料の領域は、キャリアの拡散に適した距離である数ナノメートルしか離れていません。 BHJ では、ナノスケールで材料の形態を細かく制御する必要があります。 重要な変数には、材料、溶媒、ドナーとアクセプターの重量比が含まれます。

BHJ の次の論理的ステップは、太陽電池用の秩序だったナノ材料、または秩序だったヘテロ接合 (OHJ) です。OHJ は、BHJ に関連する変動を最小限に抑えます。OHJ は、一般的に秩序だった無機材料と有機活性領域のハイブリッドです。たとえば、光起電性ポリマーは、TiO ₂などのセラミックの細孔に堆積できます。それでも、正孔はポリマーを通って細孔の長さを拡散して接点に到達しなければならないため、OHJ は同様の厚さの制限を受けます。正孔移動度のボトルネックを緩和することが、OHJ のデバイス性能をさらに向上させる鍵となります。

単層有機太陽電池は最も単純な形式です。これらのセルは、有機電子材料の層を 2 つの金属導体、通常は高仕事関数のインジウムスズ酸化物(ITO) の層と、アルミニウム、マグネシウム、カルシウムなどの低仕事関数の金属の層の間に挟んで作られています。このようなセルの基本構造を図 5 に示します。

2つの導体間の仕事関数の差により、有機層に電界が発生します。有機層が光を吸収すると、電子はLUMOに励起され、HOMOに正孔が残り、励起子が形成されます。異なる仕事関数によって生じる電位差により励起子対が分裂し、電子が正極（回路の非金属部分と接触するために使用される電気導体）に引き寄せられ、正孔が負極に引き寄せられます。^{[12] [13] [14]}

1958年に、窒素原子と炭素原子が交互に環構造を持つ大環状化合物であるマグネシウムフタロシアニン（MgPc）をベースにしたセルの光起電力効果、つまり電圧生成が200mVの光起電力を持つことが発見されました。 ^[19] Al / MgPc / Agセルは、690nmの照射下で0.01％の光起電力効率を示しました。^[20]

共役ポリマーもこのタイプの太陽電池に使用されています。あるデバイスでは、有機層としてポリアセチレン（図1）を使用し、Alとグラファイトを使用して、0.3Vの開放電圧と0.3％の電荷収集効率を実現しました。^[21] Al /ポリ（3-メチルチオフェン）/ Ptセルの外部量子収率は0.17％、開放電圧は0.4V、充填率は0.3でした。^[22] ITO / PPV / Alセルは、白色光照明下で1Vの開放電圧と0.1％の電力変換効率を示しました。^[23]

単層有機太陽電池はうまく機能しません。量子効率が低く (<1%)、電力変換効率も低い (<0.1%) です。主な問題は、2 つの導電性電極間の差から生じる電界が励起子を分割するのに十分でないことがほとんどであることです。多くの場合、電子は電極に到達せずに正孔と再結合します。

二層セルは、導電性電極の間に 2 つの層があります (図 6)。2 つの層は電子親和力とイオン化エネルギーが異なるため、2 つの層の間の界面で静電力が発生します。効率的な電荷分離と収集のためには、光がこの小さな帯電領域で励起子を生成する必要があります。材料は、これらの局所電界が強くなるように違いが大きくなるように選択され、これにより単層の光起電力セルよりもはるかに効率的に励起子が分割されます。電子親和力とイオン化ポテンシャルが高い層は電子アクセプターであり、もう一方の層は電子ドナーです。この構造は、平面ドナー-アクセプターヘテロ接合とも呼ばれます。^{[12] [13] [14] [15]}

C ₆₀は電子親和力が高く、優れたアクセプターとなる。AC ₆₀ /MEH-PPV二重層セルは、単色照明下での充填率が0.48と比較的高く、電力変換効率は0.04%であった。^[24] PPV/C ₆₀セルは、単色外部量子効率9%、電力変換効率1%、充填率0.48を示した。^[25]

ペリレン誘導体は高い電子親和力と化学的安定性を示す。銅フタロシアニン（CuPc）の層を電子供与体とし、ペリレンテトラカルボン酸誘導体を電子受容体として用いることで、AM2照明を模擬した状態で、充填係数が最大0.65、電力変換効率が1%のセルを作製した。^[26] Hallsらは、PPV層の上にビス（フェネチルイミド）ペリレン層を電子供与体として用いたセルを作製した。このセルは、単色照明下でのピーク外部量子効率が6%、電力変換効率が1%、充填係数が最大0.6であった。^[27]

有機電子材料における励起子の拡散長は、通常 10 nm 程度です。ほとんどの励起子が層の界面に拡散してキャリアに分割されるためには、層の厚さが拡散長と同じ範囲にある必要があります。ただし、十分な光を吸収するには、通常、ポリマー層の厚さは少なくとも 100 nm 必要です。このような厚い厚さでは、励起子のごく一部しかヘテロ接合界面に到達できません。

3層（アクセプター2層、ドナー1層）のフラーレンフリースタックは、8.4％の変換効率を達成しました。この実装により、高い開放電圧と可視スペクトルの吸収、および高い短絡電流が生成されました。量子効率は400nmから720nmの波長で75％を超え、開放電圧は約1Vでした。^[28]

バルクヘテロ接合は、ドナー材料とアクセプター材料のナノスケール混合物からなる吸収層を有する。この混合物のドメインサイズはナノメートルオーダーであり、ドナー-アクセプター界面積が大きいため、寿命の短い励起子が界面に到達して解離することが可能となっている。^[29]しかし、効率的なバルクヘテロ接合は、ドナー材料が正孔輸送電極（図7の電極1）に到達し、アクセプター材料が電子輸送電極（電極2）に到達できるようにする浸透ネットワークを形成するために、十分に大きなドメインサイズを維持する必要があります。この浸透ネットワークがなければ、電荷はドナーまたはアクセプターが豊富なドメインにトラップされ、再結合する可能性があります。バルクヘテロ接合は、同様のレベルの性能を維持しながら、層状構造を配向することに伴う困難な処理なしに、効果的な光子吸収に十分な厚さにすることができるため、層状光活性構造よりも優れています。

バルクヘテロ接合は、2つの成分を含む溶液を形成し、鋳造（ドロップキャストやスピンコーティングなど）し、その後、通常はアニーリングステップの助けを借りて2つの相を分離させることによって最も一般的に作成されます。2つの成分は、2つの電極を接続する相互浸透ネットワークに自己組織化します。^{[30]これらは通常、共役分子ベースのドナーと}フラーレンベースのアクセプターで構成されています。バルクヘテロ接合のナノ構造形態は制御が難しい傾向がありますが、光起電性能にとって重要です。

光子を捕獲した後、電子はアクセプタードメインに移動し、デバイス内を運ばれて一方の電極で収集され、正孔は反対方向に移動し、もう一方の電極で収集されます。2つの材料の分散が細かすぎると、層を介した電荷移動が悪くなります。^{[13] [14] [19] [31]}

バルクヘテロ接合セルのほとんどは 2 つのコンポーネントを使用しますが、3 つのコンポーネントを使用するセルも検討されています。3 番目のコンポーネントである二次 p 型ドナー ポリマーは、太陽光スペクトルの異なる領域の光を吸収する働きをします。これにより、理論上は吸収される光の量が増加します。これらの 3 元セルは、電荷移動、エネルギー移動、または並列リンクという 3 つの異なるメカニズムのいずれかを介して動作します。

電荷移動では、両方のドナーが自由電荷キャリアの生成に直接寄与します。正孔は、陽極で収集される前に、1つのドナードメインのみを通過します。エネルギー移動では、1つのドナーのみが正孔の生成に寄与します。2番目のドナーは光を吸収するためだけに機能し、余分なエネルギーを最初のドナー材料に転送します。並列結合では、両方のドナーが独立して励起子を生成し、それがそれぞれのドナー/アクセプター界面に移動して解離します。^[32]

_{C 60}およびその誘導体などのフラーレンは、バルクヘテロ接合型太陽電池の電子受容体材料として使用されています。MEH-PPV とメタノ官能化 C ₆₀誘導体の混合物をヘテロ接合とし、ITO と Ca を電極としたセル^[33]は、単色照明下で 29% の量子効率と 2.9% の電力変換効率を示しました。MEH-PPV をP3HTに置き換えると、10 V 逆バイアス下で 45% の量子収率が得られました。^{[34] [35]電子受容体の改良がさらに進み、PC} ₇₁ BM を電子受容体、PTB7-Th を電子供与体とした混合物で 10.61% の電力変換効率を持つデバイスが実現しました。^[36]

ポリマー/ポリマーブレンドは分散ヘテロ接合型太陽電池にも使用されています。CN-PPVとMEH-PPVをAlとITOを電極としてブレンドすると、ピーク単色電力変換効率1%、充填率0.38が得られました。^{[37] [38]}

色素増感型太陽電池もこのタイプの重要な例として考えられます。

問題

_{PC 71} BMなどのフラーレンは、高性能バルクヘテロ接合太陽電池によく見られる電子受容体材料です。しかし、これらの電子受容体材料は可視光を非常に弱く吸収するため、吸収の強い電子ドナー材料が占める体積分率が低下します。さらに、フラーレンは電子調整性が低いため、より高い電圧に適した電子構造を持つ共役系の開発が制限されます。最近の研究では、これらのフラーレンを、電子的に調整でき、光吸収に寄与する有機分子に置き換える試みが行われています。^[39]

電子ドナーとアクセプターは、勾配が緩やかになるように混合される。この構造は、分散ヘテロ接合における短い電子移動距離と二重層技術の電荷勾配の利点を組み合わせたものである。^{[40] [41]}

_CuPcとC60の混合物を使用したセルは、傾斜ヘテロ接合に対して100mW/ ^cm2のシミュレートされたAM1.5G太陽光照射を使用して、50％の量子効率と2.1％の電力変換効率を示しました。^[42]

段階的ヘテロ接合と同様に、連続接合の概念は、電子ドナーから電子アクセプターへの段階的な遷移を実現することを目指しています。ただし、アクセプター材料は、重合後の改質段階でドナーポリマーから直接調製されます。^[43]

活性層がデバイスの効率を大きく左右するため、このコンポーネントの形態は大きな注目を集めました。^[44]

一方の材料が他方の材料よりも溶媒に溶けやすい場合、その材料はまず基板上に堆積し、膜全体に濃度勾配が生じる。これは、ポリ-3-ヘキシルチオフェン（P3HT）、フェニル-C _{61 -}酪酸メチルエステル（PCBM ）デバイスで実証されており、ODCB溶液からスピンコーティングすると、PCBMがデバイスの底部に蓄積する傾向がある。^[45]この効果は、コーティング手順中に溶解性の高い成分が「溶媒に富む」相に向かって移動する傾向があるため、溶解性の高い成分が膜の底部に蓄積され、溶媒がより長く残るため見られる。生成される膜の厚さは相分離に影響を与える。これは、より濃縮された溶液やより速い蒸発速度（より厚いデバイスを構築するために必要）では結晶化と沈殿のダイナミクスが異なるためである。正孔収集電極に近い結晶性P3HTの濃縮は、比較的薄い（100 nm）P3HT/PCBM層でのみ達成できる。^[46]

初期形態の勾配は、主に溶媒の蒸発速度と混合物内のドナーとアクセプターの溶解度の差によって生成される。この溶解度への依存性は、フラーレン誘導体とP3HTを使用して明確に実証されている。^[47]より遅い速度で蒸発する溶媒（クロロベンゼン（CB）またはジクロロベンゼン（DCB）など）を使用すると、垂直方向の分離または凝集の度合いが大きくなるが、より速く蒸発する溶媒では垂直方向の分離がはるかに少なくなる。溶解度の勾配が大きいほど、垂直方向の分離がより効果的になるはずであり、勾配が小さいほど、より均質なフィルムになるはずである。これら2つの効果は、P3HT：PCBM太陽電池で検証された。^{[48] [49]}

溶媒の蒸発速度とその後の溶媒蒸気または熱アニーリング手順も研究されました。^[50] P3HT:PCBMなどのブレンドは熱アニーリング手順の恩恵を受けているようですが、PTB7:PCBMなどの他のブレンドは恩恵を示さないようです。^{[51] P3HTでは、これらのドメイン内からPCBM分子が排除されることによって生成されるP3HT相の結晶度の増加から恩恵を受けているようです。これは、P3HTにおけるPCBMの}混和性の研究と、アニーリング時間の関数としてのドメイン構成の変化を通じて実証されています。^{[52] [53] [54]}

混和性に基づく上記の仮説は、ドナーまたはアクセプター材料のいずれかの純粋なアモルファス相がバルクヘテロ接合デバイス内に存在することは決してないため、デバイスの効率を完全には説明できません。2010年の論文^[55]では、純粋な相と離散的な界面を仮定する現在のモデルは、純粋なアモルファス領域が存在しない場合、失敗する可能性があることが示唆されています。現在のモデルは、相の純度を考慮せずに界面での相分離を仮定しているため、モデルを変更する必要があるかもしれません。

熱アニーリングの手順は、それが適用されるタイミングによって異なります。垂直方向の種の移動は、活性層と空気または他の層との間の表面張力によって部分的に決定されるため、追加層 (ほとんどの場合、金属カソード) の堆積前または堆積後のアニーリングは結果に影響します。P3HT:PCBM 太陽電池の場合、金属カソードの堆積後にセルをアニーリングすると、垂直方向の移動が改善されます。

隣接層の隣にドナーやアクセプターが蓄積すると、正孔や電子をブロックする効果をもたらし、デバイスのパフォーマンスが向上する可能性があるため、有益である可能性があります。2009年に、P3HT：PCBM太陽電池の垂直分布の違いが電子移動度の問題を引き起こし、非常に悪いデバイス効率をもたらすことが示されました。^[56]デバイスアーキテクチャへの単純な変更（P3HTの上にPCBMの薄い層をスピンコーティングする）により、デバイスコンポーネント間の垂直分離が再現可能になり、セルの再現性が大幅に向上します。効率を向上させるにはPCBMとカソード間の接触を高める必要があるため、これによりデバイスの再現性が大幅に向上します。

中性子散乱分析によると、P3HT:PCBM混合物は「小川」（PCBM領域）によって中断された「川」（P3HT領域）として説明されている。^[57]

太陽光発電用途の有機フィルムは、主にスピンコーティングと気相蒸着法で堆積されます。ただし、それぞれの方法には欠点があり、スピンコーティング法はより広い表面積を高速でコーティングできますが、1 つの層に溶剤を使用すると既存のポリマー層が劣化する可能性があります。もう 1 つの問題は、スピンコーティングによって基板全体が単一の材料でコーティングされるため、デバイスの基板のパターン化に関連しています。

もう一つの蒸着技術は真空熱蒸着（VTE）で、真空中で有機材料を加熱する。図9（a）に示すように、基板は蒸発源から数センチ離れたところに置かれ、蒸発した材料が基板上に直接蒸着される。この方法は、異なる層間の化学反応を起こさずに、異なる材料を何層も蒸着するのに有効である。しかし、大面積基板上での膜厚均一性やドーピング均一性に問題が生じることがある。さらに、チャンバーの壁に蒸着した材料が後の蒸着物を汚染する可能性がある。この「視線」技術は、影によって膜に穴を開ける可能性があり、デバイスの直列抵抗の増加や短絡を引き起こす。^[58]

図 9(b) に示す有機気相成長法 (OVPD) では、真空熱蒸着法よりも膜の構造と形態をより適切に制御できます。このプロセスでは、不活性キャリア ガスの存在下で基板上に有機材料を蒸発させます。結果として得られる膜の形態は、ガスの流量とソース温度を変更することで調整できます。キャリア ガスの圧力を下げると均一な膜を成長させることができます。これにより、ガスの速度と平均自由行程が増加し、結果として境界層の厚さが減少します。OVPD で生成されたセルでは、チャンバーの壁から出てくる薄片による汚染に関連する問題はありません。これは、壁が温かいため、分子が付着して膜を形成することがないためです。

VTE に勝るもう 1 つの利点は、蒸発速度の均一性です。これは、キャリア ガスがソースから出てくる有機材料の蒸気で飽和し、冷却された基板に向かって移動するためです (図 9(b))。成長パラメータ (ソースの温度、ベース圧力、キャリア ガスの流量) に応じて、堆積した膜は結晶性または非晶質になります。OVPD を使用して製造されたデバイスは、VTE を使用して製造されたデバイスよりも高い短絡電流密度を示します。セルの上部にあるドナー アクセプター ヘテロ接合の追加の層は、励起子をブロックしますが、電子の伝導は許可するため、セル効率が向上します。^[58]

スピンコーティングと蒸着の条件は、デバイスの効率に影響します。^{[59] [60]}溶媒と添加剤は、ドナー-アクセプターの形態に影響します。^[61]添加剤は蒸発を遅くし、より結晶性のポリマーをもたらし、したがって正孔伝導性と効率を改善します。一般的な添加剤には、1,8-オクタンジチオール、オルトジクロロベンゼン、1,8-ジヨードオクタン（DIO）、およびニトロベンゼンがあります。^{[48] [62 ] [ 63] [64]} DIO効果は、PCBM成分の選択的可溶化に起因し、電子の平均ホッピング距離を根本的に変更し、したがって電子移動度を改善します。^[65]添加剤はポリマーの効率を大幅に向上させることもできます。^[66] HXS-1 / PCBM太陽電池の場合、効果は電荷生成、輸送、および貯蔵安定性と相関していました。^[67] PTTBOなどの他のポリマーもDIOの恩恵を大きく受け、添加剤なしで約3.7％から5％を超えるPCE値を達成しています。

クロロナフタレン (CN) を共溶媒として製造されたポリマー太陽電池は、従来の純粋なクロロベンゼン溶液から製造されたものよりも高い効率を享受します。これは、ドナー-アクセプターの形態が変化し、ドナーポリマーとフラーレン間の相分離が減少するためです。その結果、高い正孔移動度につながります。共溶媒がない場合、フラーレンの大きなドメインが形成され、溶液中のポリマーの凝集によりセルの光起電力性能が低下します。この形態は、乾燥中の液体-液体相分離に起因します。溶媒の蒸発により、混合物はスピノーダル領域に入り、そこでは大きな熱変動が発生します。大きなドメインは、電子が効率的に収集されるのを妨げます (PCE が低下します)。^[68]

ポリマー構造の小さな違いは結晶パッキングの大きな変化にもつながり、必然的にデバイスの形態に影響を与える。PCPDTBTは、2つのポリマー間の架橋原子の違い（C vs. Si）によってPSBTBTと異なり、これは、添加物を含むPCPDTBT:PCBM太陽電池では、追加物質の助けを借りずに良好な形態を達成するSiシステムとは対照的に、より優れた形態が達成できることを意味している。^[69]

スピンキャストと加熱により集合するドナー分子とアクセプター分子を用いて超分子化学が研究された。ほとんどの超分子集合体は小さな分子を使用している。^{[70] [71]}管状構造のドナードメインとアクセプタードメインは有機太陽電池に理想的であると思われる。^[72]

フラーレンを含むジブロックポリマーは、熱アニールにより安定した有機太陽電池を生み出す。 [ ⁷³ ]適切な超分子相互作用が導入されると、事前に設計された形態を持つ太陽電池が得られる。^[74]

ポリチオフェン誘導体を含むBCPの進歩により、明確に定義されたネットワークに組み立てられる太陽電池が生まれました。 ^[75]このシステムは2.04%のPCEを示します。水素結合が形態を決定します。

共重合体アプローチに基づくデバイス効率はまだ2%の壁を超えていないが、バルクヘテロ接合デバイスは単一接合構成で7%を超える効率を示している。^[76]

フラーレンをグラフトしたロッドコイルブロック共重合体はドメイン組織化の研究に使用されてきた。^[77]

有機太陽電池に対する超分子アプローチは、ドメイン分離を促進する高分子の力についての理解を深めます。

透明または半透明のPSCは、可視スペクトル外の低エネルギーまたは高エネルギーの光子を吸収できるため、太陽光利用能力が最適化され、より広い吸収スペクトルをカバーします。^{[78] [79]}これらのタイプのPSCは、可視スペクトル内の光子に対する固有の感度が低いため、近赤外線または紫外線光子を捕捉するのに最適です。 一般的なPSCは不透明な金属電極を使用するため、透明性が制限され、したがって性能も制限されます。^[78] PSCの吸収層は本質的に半透明です。^[80]したがって、可視透明なPSCを実現するための1つの方法は、上部電極を変更して透明度を高めることです。 ITO、極薄金属、金属グリッド、グラフェン、カーボンナノチューブなどの材料が、半透明の上部電極の製造に使用されています。^{[81] [82]}ただし、透明PSCの性能は、不透明電極のPSCに比べて劣っていることが示されています。^[83]上部電極を透明にすると、吸収層に電磁場を閉じ込めるセルの能力が低下し、PCEが低下します。現在、このようなセルのPCEを向上させるための広範な研究が行われています。^[81]これらのタイプのPSCは、建物一体型太陽光発電、タンデムデバイス、ポータブル電子機器に応用されています。^{[78] [82] [83]}

赤外線セルは、可視波長よりも赤外線領域の光を優先的に吸収します。2010 年の研究では、裏面に CNT フィルム上部電極、前面に ITO ガラス層を備え、セルの両面から光が透過できるようにした赤外線透過性 PSC が開発されました。ITO の上に ZnO 層を配置し、ZnO に P3HT:PCBM 層を追加して、ITO/ZnO/P3HT:PCBM/CNT (下から上) セルを作成しました。上部 CNT 電極と下部 ITO 電極はどちらも、500 nm から 2.5 um のスペクトル内で 80% の透過率を示すことが観察されました。セル自体の光透過率は、670 nm から 1.2 um の範囲で 80%、1.2 um から 2.5 um の範囲で 60% でした。逆に、Ag 上部電極を備えたコントロール セルでは、このスペクトル内で透過率は得られませんでした。さらに、P3HT:PCBM層の可視光吸収率が高いため、可視光領域での透過率は比較的低かった。このようなセルはタンデムデバイスやPSCの垂直アセンブリに適用できる。^[78]

2012年時点で、赤外線セルは可視光に対してほぼ70%透過性がある。このセルは溶液プロセスを使用して低コストで大量生産できると言われている。このセルは、従来の不透明な金属電極の代わりに、銀ナノワイヤ/二酸化チタン複合フィルムを上部電極として採用している。この組み合わせにより、4%の電力変換効率が達成された。^[84]

2014年には、ナフトジチオフェンジイミドとビチオフェンの共重合体（PNDTI-BT-DT）をベースにした近赤外線ポリマー太陽電池が、電子供与体としてPTB7と組み合わせて製造されました。PNDTI-BT-DTとPTB7は両方とも、ブレンドフィルム内で純粋なフィルムと同様の結晶構造を形成し、両方のポリマーからの効率的な電荷生成につながりました。^[85]

多くの研究は、PSC 用の透明な上部電極の開発に焦点が当てられてきました。しかし、2017 年の研究では、半透明 PSC の活性層の最適化が検討されました。研究者らは、狭バンドギャップポリマードナー PTB7-Th と非フラーレンアクセプター IHIC の両方を利用する、効率を高めた半透明 PSC を提案しました。この研究の結果、提案された PSC は赤外線スペクトルで高い透過率と吸収を示しましたが、可視スペクトルでは低い吸収を示しました。このセルは比較的安定しており、最大 PCE は 9.77% で、2017 年時点で報告された最高の PCE 値であることが示されました。^[86]

有機太陽電池は、無機太陽電池と同様に、一般的に電流電圧分析によって特性評価されます。^[87]この分析により、デバイスの性能を理解するために使用される複数のデバイスメトリクス値が得られます。最も重要なメトリクスの1つは、電力変換効率（PCE）です。

PCE (η) は、短絡電流(J _SC )、開放電圧(V _OC )、および曲線因子(FF)の積に比例します。これらはすべて、電流-電圧曲線から決定できます。

${\displaystyle \eta ={\frac {V_{\text{OC}}\times J_{\text{SC}}\times FF}{P_{\text{in}}}}}$

ここで、P _{in は}入射する太陽エネルギーです。

短絡電流（Jsc）は、光電流生成の最大値です。^[88]これは、電流がy軸に沿ってプロットされ、電圧がx軸に沿ってプロットされる標準電流-電圧曲線のy切片値に対応します。有機太陽電池では、短絡電流はさまざまな材料要因によって影響を受ける可能性があります。これには、電荷キャリアの移動度、光吸収プロファイル、および電荷キャリアのより効率的な抽出につながる一般的なエネルギー駆動力が含まれます ^[88]

開放電圧（Voc）は、デバイスに電流が流れていないときの電圧です。^[88]これは、電流-電圧曲線のx切片に対応します。バルクヘテロ接合有機太陽電池デバイスでは、この値は活性層材料のHOMOとLUMOのエネルギーレベルと仕事関数に大きく依存します^[88]

電力は電圧と電流の積であるため、最大電力点は電圧と電流の積が最大になったときに発生します。

フィルファクターFFは、電流電圧曲線の「直角度」と考えることができます。^[87]これは、最大電力値と開放電圧および短絡電流の積の商です。^[87]これは、上の画像では、黄色の長方形の面積とそれより大きい青色の長方形の面積の比として示されています。有機太陽電池の場合、このフィルファクターは、生成された電荷がデバイスからどれだけ効率的に抽出されるかの尺度です。^[88]これは、デバイスを移動する電荷と再結合する電荷の「競争」と考えることができます。^[88]

ポリマー太陽電池を取り巻く大きな問題は、製造されたセルの電力変換効率（PCE）が低いことです。商業的に実行可能と見なされるためには、PSCは少なくとも10〜15％の効率を達成できなければなりません^[89] —これはすでに無機PVよりもはるかに低いです。しかし、ポリマー太陽電池はコストが低いため、10〜15％の効率は商業的に実行可能です。

ポリマー太陽電池の性能における最近の進歩は、バンドギャップを圧縮して短絡電流を高め、最高被占分子軌道（HOMO）を下げて開放電圧を高めることによってもたらされた。しかし、PSCは依然として低い充填率（通常70％未満）に悩まされている。しかし、2013年現在、研究者は75％を超える充填率を持つPSCを製造できるようになった。科学者は、反転BHJと非従来型のドナー/アクセプターの組み合わせを使用してこれを達成することができた。^[90]

ポリマー太陽電池は、まだシリコン太陽電池やその他の薄膜セルと商業的に競合していません。ポリマー太陽電池の現在の効率は 10% 近くで、シリコンセルよりはるかに低いです。また、ポリマー太陽電池は、効果的な保護コーティングがないため、環境による劣化の影響を受けます。

電荷キャリアの拡散を促進するには、性能をさらに向上させる必要があります。また、秩序と形態の制御を通じて輸送を強化する必要があり、インターフェースを介した電荷移動の問題にはインターフェース エンジニアリングを適用する必要があります。

ポリマー太陽電池の効率を高めるためにタンデム構造を利用する研究が行われている。無機タンデム構造と同様に、有機タンデム構造も効率向上が期待されている。低バンドギャップ材料を使用した単接合デバイスと比較して、タンデム構造は光子から電子への変換中の熱損失を減らすことができる。^[9]

ポリマー太陽電池は商業的に広く生産されていません。2008年から、コナルカテクノロジーズはポリマーフラーレン太陽電池の生産を開始しました。^[92]初期のモジュールは効率が3〜5％で、数年しか持ちませんでした。コナルカはその後、ポリマー太陽電池がPV市場に浸透できなかったため、破産を申請しました。

PSCは依然として充填率が低い（通常は70％未満）という問題を抱えている。しかし、2013年現在、研究者は充填率が75％を超えるPSCを製造できるようになった。科学者は、反転BHJと非従来型のドナー/アクセプターの組み合わせを使用することでこれを実現した。^[90]

しかし、コストを削減し、PSC生産の実用的なアプローチを推進するために、ポリマー太陽電池の製造を拡大する努力がなされています。そのような努力には、完全なロールツーロールソリューションプロセスが含まれます。しかし、ロールツーロールソリューションプロセスは、ポリマー太陽電池の寿命が短いため、オングリッド電力生産には適していません。そのため、ポリマー太陽電池の商業的用途は、依然として主に民生用電子機器や家電製品です。^[93]

上で述べたように、有機半導体は長距離秩序を持たない非常に無秩序な材料です。つまり、伝導帯と価電子帯の端は明確に定義されていません。さらに、この物理的およびエネルギー的な無秩序により、光生成された電子と正孔が捕獲され、最終的に再結合する可能性のあるトラップ状態が生成されます。

有機太陽電池をデバイスモデルで正確に記述する鍵は、トラップ状態を介したキャリアのトラッピングと再結合を含めることです。一般的に使用されるアプローチは、有効媒体モデルを使用することです。このモデルでは、標準的なドリフト拡散方程式を使用してデバイス全体の輸送を記述します。次に、移動度エッジからバンドギャップに減衰するトラップ状態の指数関数的なテールが導入されます。^[94] これらのトラップ状態からの捕獲/脱出を記述するには、ショックレー・リード・ホール（SRH）を使用できます。ショックレー・リード・ホール機構は、時間領域と定常状態の両方でポリマー：フラーレンデバイスの動作を再現できることが示されています。^[94]

有機太陽電池の設計には、バンドギャップや層の厚さなど、多数の構造および組成パラメータの最適化が必要です。数値デバイスシミュレーションは、最適なスタック構成を特定するための実用的な洞察を提供します。これにより、効率的な太陽電池の開発に必要な時間を短縮できます。

有機太陽電池の難点としては、無機太陽電池に比べて内部量子効率は良いものの、外部量子効率（最大70%）が低いこと（^[95]）が挙げられる。これは、100ナノメートル程度の活性層では吸収が不十分なためである。酸化還元、再結晶、温度変化に対する不安定性も、時間の経過とともにデバイスの劣化や性能低下につながる可能性がある。これは、異なる組成のデバイスで異なる程度に発生し、活発な研究が行われている分野である。^[96]

その他の重要な要素には、不純物の存在によって影響を受ける励起子拡散長、電荷分離、電荷収集などがあります。

特にバルクヘテロ接合太陽電池の場合、電荷キャリアの輸送を理解することは、有機太陽電池の効率を向上させる上で極めて重要です。現在、バルクヘテロ接合デバイスは、ホール移動度が電子移動度よりも少なくとも 1 桁低いという不均衡な電荷キャリア移動度を持っています。このため、空間電荷が蓄積し、デバイスの充填率と電力変換効率が低下します。^[97]移動度が低いため、効率的なバルクヘテロ接合太陽電池は、吸収と処理の拡張性に悪影響を与える電荷キャリアの再結合を避けるために、薄い活性層で設計する必要があります。シミュレーションにより、充填率が 0.8 を超え、外部量子効率が 90% を超えるバルクヘテロ接合太陽電池を実現するには、空間電荷効果を減らすために電荷キャリア移動度のバランスをとる必要があること、および電荷キャリア移動度の増加と/または二分子再結合速度定数の減少が必要であることが実証されています。^[98]

前述のように、ドナー-アクセプター有機材料の分散ヘテロ接合は、平面ヘテロ接合に比べて高い量子効率を示します。これは、分散ヘテロ接合では、励起子が拡散長内で界面を見つける可能性が高くなるためです。膜の形態もデバイスの量子効率に劇的な影響を与える可能性があります。粗い表面と空隙の存在は、直列抵抗を増加させ、短絡の可能性も高めます。膜の形態、ひいては量子効率は、デバイスを約 1000 Å の厚さの金属カソードで覆った後にアニールすることで改善できます。有機膜の上の金属膜は有機膜に応力を加え、有機膜の形態緩和を防ぐのに役立ちます。これにより、より高密度に詰まった膜が得られ、同時に、有機薄膜のバルク内部に相分離した相互浸透ドナー-アクセプター界面の形成が可能になります。^[99]

電荷分離はドナー-アクセプター界面で起こる。電荷は電極に移動する間に、無秩序な相互浸透有機材料に閉じ込められたり再結合したりすることがあり、その結果、デバイスの効率が低下する。ヘテロ接合の制御された成長により、ドナー-アクセプター材料の位置をより適切に制御できるため、平面および高度に無秩序なヘテロ接合よりもはるかに高い電力効率（出力電力と入力電力の比）が得られる（図8参照）。したがって、構造と膜の形態をより適切に制御するために、適切な処理パラメータを選択することが非常に望ましい。^[32]

薄型有機太陽電池での光トラッピング（光取り込み）効果を高めるために、様々なタイプのコンポーネントが適用されています。^[100]有機太陽電池の柔軟性に加えて、ITOとガラスの代わりにそれぞれフレキシブル電極^{[101] [102]}と基板^[103]を使用することで、完全にフレキシブルな有機太陽電池を製造できます。 これらのフレキシブル基板と基板の使用により、散乱粒子が埋め込まれたポリマー電極、^[104]ナノインプリントポリマー電極、^[105]パターン化されたPET基板^{[106] [107]}、さらには液晶ディスプレイ（LCD）用に基板として商品化された光学ディスプレイフィルムなど、OPVに光トラッピング効果を提供するより簡単な方法が導入されています。^[108]光トラッピング構造の処理が容易なという利点を活かして、OPVの性能を向上させるための研究が盛んに行われるでしょう。

最近、有機太陽電池をハイブリッドタンデム太陽電池スタックのトップセルとして利用する研究が行われています。有機太陽電池はシリコンやCIGSなどの従来の無機光起電性太陽電池よりもバンドギャップが大きいため、熱化によるエネルギーの損失をほとんど受けずに高エネルギー光子を吸収でき、より高い電圧で動作します。吸収されなかった低エネルギー光子と高エネルギー光子は、トップの有機太陽電池を通過し、その後、ボトムの無機太陽電池に吸収されます。有機太陽電池は、低温で溶液処理可能で、1平方メートルあたり10ドルという低コストであるため、既存の無機太陽電池技術の全体的な効率を向上させる印刷可能なトップセルが得られます。^[109]このようなハイブリッドタンデム太陽電池スタックの形成を可能にするために、高い透明性を保ちながら低い接触抵抗を維持する半透明電極の堆積に関する研究など、多くの研究が行われてきました。^[110]

有機半導体の機械的特性、特に有機太陽電池デバイスの動作におけるさまざまな故障メカニズムを理解することは、さまざまな用途の有機太陽電池の動作安定性を決定する上で重要です。有機太陽電池の機械的特性は、材料に存在する分子間力と表面力に起因します。これらの属性は分子構造の影響を受けるだけでなく、処理条件にも非常に敏感であるため、ポリマー薄膜の引張弾性率、延性、ひずみ下での破壊靭性などの機械的特性の研究はむしろ困難です。^[111]このため、デバイスの機械的安定性を予測する「性能指数」を定量化することは簡単ではなく、ひずみ下でのデバイスの堅牢性は多くの要因に依存します。

ほとんどの場合、基板はデバイスを支えており、基板の機械的破損はデバイスの電力変換効率の低下につながります。したがって、基板が有機活性層を機械的に支えることは必要ですが、基板の引張強度を高めることで低ひずみでのフィルムの破損が起こらないように注意する必要があります。一般に、活性層は基板と連動して変形することが望ましいです。これは、低い弾性率と高い弾性限界によって可能になります。薄膜の延性は、通常、フィルムに亀裂が生じるひずみとして測定されます。ただし、亀裂開始ひずみは、フィルムと基板間の凝集/接着の程度など、他の要因にも依存します。さまざまな研究で、別々のポリマー界面を破壊するために必要な仕事として定義される凝集破壊エネルギーまたは接着破壊エネルギー G _cが、分子パラメータおよび処理条件に関連付けられています。^{[112] [113]}凝集力とともに、亀裂形成後の亀裂伝播の軌道は、亀裂が伝播する材料の機械的特性に依存する。優れた可塑性を示すP3HTなどのポリマーでは、デバイスの平面に垂直な引張ひずみを適用すると亀裂の先端に塑性領域が形成され、フィルム内の結晶ドメインまたは剛性基板のいずれかによって制限されるまで拡大し、変形エネルギーを消散させて界面間の凝集力を低下させる。^[114] 機械的座屈技術は、さまざまな有機薄膜の弾性率を決定するのに非常に効果的であることが証明されている。この方法は、圧縮ひずみ下でフィルムにしわを生じさせる座屈不安定性に基づいている。しわパターンの波長は、フィルムの厚さと基板の弾性率の観点から、フィルムの引張弾性率と関連付けることができる。^[115]

有機太陽電池を組み込んだデバイスの設計では、Gc と破断時のひずみが、考慮すべき重要な 2 つの指標として特定されています。バルクヘテロ接合 (BHJ) 層は通常、有機太陽電池の最も弱い層であるため、BHJ 材料を機械的に安定するように設計する必要があり、目標 G _cは 5 J m-2、目標破断時のひずみは 20～30% です。ポリマーベースのアクセプターは、小分子アクセプターやフラーレンベースのアクセプターと比較して、優れた機械的特性を示すことが示されています。さらに、ポリマーベースのアクセプターの機械的特性は、ポリマー分子の数平均分子量である M _{nの影響を受けます。機械的特性は M n の}増加に伴って増加しますが、Mn が M c を超えた場合にのみ増加することが確認されています。M _{c を}超えると、絡み合いにより粘度変化率が M _{n の}増加とともに増加します。この現象は、ポリマーアクセプターとドナー間の鎖の絡み合い率と混和性が両方とも増加するため発生します。これらの特性の影響として、機械的応力に対するこれらの材料の塑性変形が大きく、エネルギーがより多く散逸し、機械的強度が低い材料はより容易に破損するということが挙げられます。^[116]

現在行われている研究の主要分野の一つは、非フラーレンアクセプターの使用である。フラーレンアクセプターは、バルクヘテロ接合セル設計との互換性と優れた輸送特性のため、ほとんどの有機太陽電池の標準となっているが、いくつかの欠点があり、研究者は代替品を見つけようとしている。^[117]フラーレンアクセプターの欠点としては、不安定性、エネルギー調整能力に多少の制限があること、光吸収性が低いことなどが挙げられる。^[117]研究者らは、エネルギー調整能力に優れているため、高い開放電圧を示すことができる小分子アクセプターを開発している。^[117]科学者らは、ポリマードナー（D18）と小分子アクセプター（Y6）を組み合わせて、18%を超える高効率の有機太陽電池を研究室で製造した。^[118]しかし、フラーレン以外の受容体には、小分子受容体の電荷キャリア移動度の低さや、可能性のある分子の数が多すぎて研究コミュニティにとって圧倒的であるなど、依然として大きな課題が残っています。^[117]

非フラーレンアクセプター（NFA）を利用した有機太陽電池の開発が直面している課題は、高沸点かつ環境に優しい溶媒の選択である。一方、クロロホルム（CF）などの従来の溶媒は、低沸点かつ毒性を示す傾向がある。このような溶媒は、有機太陽電池のさらなるスケールアップに必要であるが、溶媒内でのドナーおよびアクセプター材料の溶解性が低いため、PCE の低下にも関連している。NFA にアルキル鎖を付加すると、溶解性は増加するが、分子パッキング（π スタッキング）は減少し、PCE への純粋な影響は生じない。ゲストアシスタンスの使用は、溶解性と分子パッキングの両方に利点をもたらすことがわかった。オリゴ(エチレングリコール) (OEG) 側鎖を持つ BTO というゲスト分子を、アクセプターとして NFA Y6、ドナーとして PM6、高融点かつ持続可能な溶媒としてパラキシレン (PX) と組み合わせて使用​​することで、PCE が 11% から 16% 以上に増加し、許容できるレベルの効率と見なされるようになりました。^[119]よりクリーンな有機太陽電池の開発で成功したさらなる改良は、非ハロゲン化溶媒による基板のホットスピンコーティングです。ホットスピンコーティングを行う温度によって、アクセプター-ドナー混合物の溶液から固相への進化が変化し、温度が高くなると基板表面のアクセプター濃度が高くなることがわかりました。これは、温度が高いほど凝集と沈殿が減少し、基板がより高いアクセプター濃度を保持できるためです。実験では、PM6ドナーとY6-1OおよびBO-4Clアクセプターの三元混合物とo-キシレンやトルエンなどのさまざまな非ハロゲン溶媒を使用して構築された有機太陽電池は、18％を超えるPCE値を示しました。これは、現在までに非ハロゲン溶媒で構築された最も効率的な有機太陽電池です。さらに形態学的分析を行ったところ、非ハロゲン溶媒で製造されたホットスピニングOPVは、ハロゲン化溶媒で製造されたOPVと同様の形態学的特性を示すことが示されました。^[120]

小分子もドナー材料として研究が盛んに行われており、ポリマードナーの代替となる可能性がある。小分子はポリマーのように分子量が変化しないため、精製工程が少なくて済み、再結合につながるトラップ状態を作り出す高分子の欠陥やねじれの影響を受けにくい。^[121]最近の研究では、高性能の小分子ドナー構造は平面2D構造を持ち、凝集または自己組織化できることがわかっている。^[121]これらのデバイスの性能は活性層の形態に大きく依存するため、現在の研究では小分子の可能性を調査し、さまざまな材料のアニーリングなどのプロセスを通じてデバイス形態を最適化し続けている。^[121]