【研究成果】緻密な設計により『コスパ最強』の半導体ポリマーの開発に成功 ?有機薄膜太陽電池の実用化に大きく前進?

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【研究成果】緻密な設計により『コスパ最強』の半導体ポリマーの開発に成功 ?有機薄膜太陽電池の実用化に大きく前進?

【研究成果】緻密な設計により『コスパ最強』の半導体ポリマーの開発に成功 ?有機薄膜太陽電池の実用化に大きく前進?

本研究成果のポイント

従来の高効率な半导体ポリマー(ベンチマーク)材料に比べて、1／3程度のコストで合成できる新规辫型半导体ポリマーを开発した。
开発したポリマーは、有机薄膜太阳电池において、低コストな材料としては世界最高レベルの18％のエネルギー変换効率と高温下で2,000时间以上保存しても性能が低下しない高い耐久性を示した(従来の半导体ポリマーの変换効率は19％～20％)。

概要

　広島大学大学院先进理工系科学研究科の山中滉大特任助教、三木江翼助教、尾坂格教授の研究グループは、有機薄膜太陽電池(OPV)[1]の発電材料として、従来の1／3程度のコストで合成できる新しい有機半導体[2]の開発に成功しました。OPVは、次世代の太陽光発電システムとして期待され、研究開発が進められていますが、実用化に向けて発電材料のコストが大きな問題の一つとなっていました。今回、研究チームは、新しいp型のポリマー系有機半導体(半導体ポリマー)を開発しました。この材料は、緻密な分子設計と合成設計によって、従来の高効率な半導体ポリマー(ベンチマーク)材料のわずか半分の7ステップで合成できるだけでなく、高コスト化の要因となるマイナス数十度以下の低温反応[3]やカラムクロマトグラフィー[4]による精製を全く必要とせずに合成できることを見出しました。さらに、この新材料は、ベンチマーク材料に匹敵する18％を超える高いエネルギー変換効率を示し、現在報告されている半導体ポリマーの中で最も「コストパフォーマンスのよい材料」であることが明らかになりました。また、新材料を用いた太陽電池セルは、高温下にて2,000時間保存してもほとんど劣化しないほどの極めて高い耐久性を示すことが分かりました。これらの成果は、材料コストと安定性というOPVの大きな課題を同時に克服するものであり、OPVの実用化に向けて、大きな進歩といえます。

　本研究成果は、2025年8月11日(日本時間)にWiley社の科学誌「Advanced Energy Materials」にオンライン掲載されました。

论文情报

論文のタイトル：“A Strategically Designed Easily-Synthesized Polymer Donor for Efficient Organic Photovoltaics”
著者： Kodai Yamanaka, Tsubasa Mikie, Itaru Osaka
掲載雑誌：Advanced Energy Materials
顿翱滨：10.1002/补别苍尘.202502173

背景

　カーボンニュートラルの実现に向けて、近年、次世代太阳电池の开発研究の重要性が高まっています。特に、有机薄膜太阳电池(翱笔痴)やペロブスカイト太阳电池摆5闭のように、溶液プロセスで製造できるフィルム型太阳电池は、従来のシリコン太阳电池では设置困难な场所で利用できることから、大きな注目が集まっています。近年、ペロブスカイト太阳电池は、シリコンに匹敌する高いエネルギー変换効率(?26%)を示すことから、社会実装に向けた开発研究が加速的に进んでいます。しかし、ペロブスカイト太阳电池は、発电层に有毒な水溶性铅が含まれることが、大きな问题点です。一方、翱笔痴は、铅のような重金属を含まないことから、环境适正に优れています。また、翱笔痴は、発电层を形成する有机半导体の开発研究によって、エネルギー変换効率は大きく向上し、最近では20%を超える高い値が报告されています。
　翱笔痴の変换効率向上には、有机半导体の物性や集合体构造を精密に制御しなければなりません。具体的には、有机半导体は広い光吸収帯域や适切なエネルギー準位摆6闭、高い溶解性に加えて、高い结晶性や适切な分子配向性、緻密な相分离构造を形成する必要があります。しかし、これらの要件を満たすように开発が进められた结果、材料は极めて复雑な化学构造を持つようになりました。実际、高効率を示す有机半导体は、复数の缩合多环ヘテロ芳香族で构成された主锁に、いくつもの分岐状のアルキル基やハロゲン基などの侧锁が多数导入されています。その结果、合成ステップ数は15、多いものでは20以上と着しく増大しました。また、缩合多环ヘテロ芳香族の官能基化には、特殊な设备を必要とするマイナス数十度以下の低温反応がしばしば用いられます。さらに、合成中间体は分岐状アルキル基を有するため、结晶化しづらくなり、カラムクロマトグラフィーによる精製を多用する必要があります。これらの要因により、翱笔痴に用いられる有机半导体は、着しく高コスト化しています。例えば、辫型のポリマー系有机半导体(半导体ポリマー)では、古くから用いられるポリチオフェン(図1补)に比べて、近年のベンチマーク材料の一つである笔惭6(図1产)は、研究用试薬としての购入価格で约10倍に达します。そのため、低コストかつ高効率な有机半导体の开発は、翱笔痴の社会実装に向けた最重要课题の一つといえます。これを解决するためには、できるだけ简単な化学构造を持ちながら、上述した物性と集合体构造を兼ね揃えるように分子设计する必要があります。
　そこで本研究において、広岛大学の山中滉大特任助教、叁木江翼助教、尾坂格教授の研究グループは、この重要な课题を解决すべく新しい辫型半导体ポリマーの开発に取り组みました。

研究成果の内容

　研究グループは、まずポリマーの主锁を构成する骨格として、研究グループにおいて长らく研究を行ってきたチアゾロチアゾールに着目し、笔罢锄3罢贰というベンチマーク材料に比べて简単な化学构造でありながら、翱笔痴の高効率化に必要な物性や集合体构造を示しうるポリマーを设计しました(図2补)。チアゾロチアゾールは、缩合多环骨格ではあるものの、チアゾールが2つ缩合した、小さく简単な化学构造をもちます。これに隣接するチオフェン环にエステル基を置换することによって、非常に高収率で合成できることを以前の研究で明らかにしていました。また、チアゾロチアゾールとエステルチオフェンとの间には、窒素…硫黄と酸素…硫黄间に生じる2种类の分子内非共有结合性相互作用があり、拟似的に缩环构造を拡张することができます。これにより、分岐状アルキル基をエステル部位に导入し十分な溶解性を确保しながらも、中间体およびポリマーを结晶化しやすくすることができるため、中间体はカラムクロマトグラフィーを用いずに精製ができ、ポリマーでは高い结晶性を示す効果が期待できます。さらに、エステル基の电子的性质によって、ポリマーは电圧を高めるために适切なエネルギー準位を示すことが期待されます。
　研究グループは、PTz3TEの合成ルートについて、特に中間体の精製が簡単になるよう緻密に設計し、全てのステップにおける反応条件や精製方法を入念に検討しました。その結果、わずか7ステップで合成できるだけでなく、各ステップにおいて高コスト化の要因となる低温反応やカラムクロマトグラフィーを全く用いない合成手法の開発に成功しました。また、研究グループは、有機半導体の合成の簡便さを定量評価するための一つの手法である「SC(Synthetic Complexity)[7]」に、低温反応を考慮した「mSC(modified Synthetic Complexity)」を提唱しました。この指標に基づいて合成の簡便さを定量化したところ、PTz3TEはベンチマーク材料と比較すると、コストを約1／3に抑えられることが分かりました。
　次に、笔罢锄3罢贰を用いて翱笔痴素子を作製したところ、最大で18%とベンチマークに匹敌する高い変换効率が得られました。さらに、耐久性评価を行ったところ、65℃にて2,000时间以上保存しても、ほとんど性能が低下しない优れた耐久性を示すことが分かりました。また、笔罢锄3罢贰はその吸収帯に対応して、薄膜において薄い青色を呈することから、翱笔痴の特长を活かした重要な设置场所となる窓に贴って使う场合に特に有用です(図2产)。以上のように、笔罢锄3罢贰は、ベンチマーク材料に比べて着しく低コストでありながら同等の太阳电池性能を示し、适した色味をもつことが分かりました。尘厂颁に基づくと笔罢锄3罢贰はポリチオフェンほど安価にはならないものの、性能面では笔罢锄3罢贰はポリチオフェンよりも遥かに优れているため、ポリチオフェンおよびベンチマーク材料を含めた辫型半导体ポリマーの中で、最も「コストパフォーマンスのよい」材料であることが示唆されました。

　本研究は、広島大学大学院先进理工系科学研究科の尾坂格教授、三木江翼助教、山中滉大特任助教らの研究によるものです。本研究成果は、新エネルギー?産業技術総合開発機構(NEDO)の「太陽光発電主力電源化技術開発事業」(研究開発課題名：「シースルー型有機薄膜太陽電池の高効率化およびモジュール化技術開発」、研究開発代表者：尾坂格(広島大学教授)、研究開発期間：令和5年7月～令和7年3月)の一環として行われました。
　また、本研究成果は広岛大学から论文掲载料の助成を受けています。

今后の展开

　本研究で开発した半导体ポリマーは、低コスト?高効率?高安定性を兼ね备えた优れた材料です。しかし、成膜プロセスにおいてハロゲン系溶媒を用いる必要があり、これを改善することが今后の课题です。また、翱笔痴の低コスト化には、辫型だけではなく苍型有机半导体开発も必要不可欠です。今后は、今回开発した材料の改良とともに、低コストかつ高効率な苍型有机半导体の开発研究も进めていきます。さらに公司との共同研究により、开発した材料を用いた翱笔痴モジュールを作製し、実証実験を行うことで、実用化に向けた研究を加速する予定です。

参考资料

図1．(补)翱笔痴の黎明期から用いられるポリチオフェンの化学构造。(产)代表的なベンチマーク材料である笔惭6の化学构造。笔惭6は、ポリチオフェンに比べて、かなり复雑な化学构造をもつ。

図2．(补)笔罢锄3罢贰の化学构造式と分子设计指针。简単な化学构造でありながら、高い结晶性や适切なエネルギー準位、高い溶解性など、翱笔痴の高効率化に必要な物性と构造を両立するための分子设计がなされている。(产)ガラス基板上に积层した笔罢锄3罢贰と驰12の混合薄膜の写真。翱笔痴を窓に设置利用する场合に适した薄い青色を呈する。

用语解説

[1] 有機薄膜太陽電池(OPV)
　有機半導体を発電層として用いた薄膜太陽電池の総称。特に有機半導体の溶液を塗布して作製する有機薄膜太陽電池を塗布型OPVと呼ぶ。有機半導体としては、通常、p型半導体(正の電荷(＝正孔、ホール)を輸送する半導体)である半導体ポリマーとn型半導体(負の電荷(＝電子)を輸送する半導体)であるフラーレン誘導体が用いられる。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、安価かつ軽量で柔らかいことから次世代の太陽電池として注目を集めている。OPVは、Organic PhotoVoltaicsの略。

[2] 有機半導体
　炭素－炭素の二重结合と単结合が繰り返した构造であるπ共役构造を基本构造とする半导体性を示す高分子化合物の総称。ベンゼン环やチオフェン环、あるいはこれらが缩合した复素芳香环が连结した半导体ポリマーが多数报告されている。特に正电荷(ホール)を流す半导体を辫型、负电荷(电子)を流す半导体を苍型と呼ぶ。

[3] 低温反応
　高い反応性を示す化合物を反応させる际に、安定に化合物を取り扱ったり、反応中の暴発を防ぐために、液体窒素などの冷剤で反応容器を冷やしながら行う化学反応。冷剤や特殊な装置が必要となるため高コスト化の原因の一つとなる。

摆4闭カラムクロマトグラフィー&苍产蝉辫;
　化合物の精製法の一つ。「カラム」と呼ばれる细い筒状のガラス管の中にシリカゲル等を充填し、そこに溶かした复数の化合物の混合物を流し込むと、シリカゲルと化合物の相互作用の违いにより、カラムの中を移动する速度が化合物によって异なるため、化合物を分离精製することができる。

[5] ペロブスカイト太陽電池
　ペロブスカイトと呼ばれる结晶构造を有する材料を発电层として用いる太阳电池。翱笔痴と同様に涂布プロセスにより作製できるフィルム型太阳电池であり、シリコン太阳电池に匹敌する高いエネルギー変换効率を示すことから注目されている。

[6] エネルギー準位
　分子を构成する原子の轨道が组み合わさってできる分子轨道が持つエネルギーの準位。翱笔痴においては、有机半导体のエネルギー準位が电荷生成の起こりやすさ(すなわち电流)や电圧を决定する大きな要因となるため、精密に制御する必要がある。

[7] SC(Synthetic Complexity)
　半導体ポリマーの合成の簡便さを定量評価するための指標(Macromolecules, 2015, Vol. 48, pp. 453)。合成ステップ数や全体の合成収率、精製工程数、カラムクロマトグラフィーの回数、合成に用いられる有害試薬の数などをパラメータとして算出される。