国立先进产业科学技术研究院【董事长 Ryoji Chubachi】（以下简称“AIST”）光伏发电工程研究中心【研究中心主任 Sakae Niki】先进工业加工和成本降低团队 Shota Nunomura，首席研究员兼密歇根大学电气工程系斯蒂芬·R·福雷斯特教授（材料科学系和物理系）半导体薄膜电荷传输性质教授陷阱电荷使用这种方法，我们评估了有机薄膜太阳能电池的发电层，并发现了阻止电荷移动的传输势垒的起源。供体分子和受体分子的界面和晶界。 （图1）。
有了这一发现，我们可以创建具有优异电荷传输特性的发电层，以实现更高的转换效率的实现有机薄膜太阳能电池备受期待。
这项研究是作为日本学术振兴会科学研究补助金“基础研究C（2012-2012财年）”的一部分进行的，该结果的详细信息可以在科学杂志上找到先进材料2014年10月17日（日本时间）。
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图1 有机半导体薄膜中的电荷传输和捕获
顶行：空间运动。负电荷从左向右移动，正电荷向相反方向移动。
电荷被捕获在晶界以及供体和受体分子之间的界面处。
底行：电荷转移过程中障碍物的生动说明。凸部对应于屏障。 |
9429_9590自组织通过形成9637_9729|实现高转换效率然而，人们对发电层内的纳米结构与电荷传输之间的关系知之甚少，因此很难获得提高转换效率的指导方针。
AIST正在积极进行提高有机薄膜太阳能电池转换效率的研究和开发（2014 年 4 月 17 日 AIST 新闻稿、2014 年 5 月 8 日 AIST 新闻稿）。这次，我们开发了一种可以轻松定量评估发电层内部电荷传输的方法，阐明了纳米结构和电荷传输之间的关系，并进行了旨在提高转换效率的研究。
在开发的评估电荷传输特性的方法中，两种类型的激光（泵灯和探测灯）并测量每种光激发的光电流（图 2）。泵浦光是产生光激发载流子（正电荷和负电荷）的光；光子的能量大于半导体的带隙。因此，可以通过测量泵浦光激发的光电流来评估电荷流动的难易程度。另一方面，探测光是用于将传输势垒捕获的电荷（捕获的电荷）提升到传输能级并提取它们的光，并且光子的能量需要小于半导体的带隙并大于传输势垒的高度。因此，探测光激发的陷阱电流反映了捕获电荷的数量。此外，从这些电流比中可以得到捕获电荷的定量值(捕获电荷密度)，该值是确定太阳能电池转换效率的重要指标。
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| 图2 新开发的电荷传输特性评估方法 |
这次作为评估样本DTDCTB（供体（D）分子）和C60（受体（A）分子）。混合膜的成分比例为供体分子的10％～80％。此外，C60组成的单组分薄膜，并评估了这些样品的电荷传输特性。图3(a)为C60单组分薄膜表面原子力显微镜图像显示，表面形成了许多纳米级的凹凸不平。图3(b)显示单组分薄膜选区电子衍射在雕像处面心立方结构 (FCC)纳米晶组成，衍射线尖锐，结晶度高。另一方面，DA分子混合膜的原子力显微镜图像（图3（c））显示表面相对光滑，选区电子衍射图像（图3（d））显示衍射线模糊且结晶度较低。
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| 图3 样品薄膜纳米结构分析示例 |
研究了这些具有不同纳米结构的样品的电荷传输特性，并与太阳能电池特性进行了比较（图4）。当供体分子比例为20%时，泵浦光激发产生的光电流最大（图4（a）），当供体分子比例为50%时，陷阱电荷密度最小（图4（a））。太阳能电池的特性很大程度上取决于供体分子的比例，当供体分子的比例为50%时，转换效率达到最大值（图4（b））。当比较转换效率和陷阱电荷密度时（图4（a）和（b）），曲线的形状相反，并且它们呈倒数关系。这表明可以通过减少捕获电荷来获得高转换效率。
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| 图4太阳能电池特性和电荷传输特性 |
由于陷阱电荷密度对供体分子的比例具有 U 形依赖性（图 4（a）），因此认为供体和受体分子之间的界面充当电荷传输势垒。这被认为是因为过量的受体分子阻碍了正电荷的移动（图1（b）），相反，过量的供体分子阻碍了负电荷的移动（图1（c））。当供体分子和受体分子的比例各为50%时，两者之间的界面，即输运势垒最小，因此俘获电子密度也最小。另外，陷阱电荷密度为C60它在单组分薄膜中达到最大值的原因被认为是因为晶体的晶界充当了传输势垒（图1（a））。
基于这次获得的知识，我们的目标是创建具有优异电荷传输性能的发电层，并进一步提高太阳能电池的转换效率。