研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

福田 憲二郎

理化学研究所 開拓研究本部 染谷薄膜素子研究室専任研究員

柔軟な超薄有機太陽電池の高効率化・安定化の研究
超柔軟・超軽量な電源から広がる未来のエレクトロニクス研究の背景

有 機 太 陽 電 池の究 極の形 態として、太陽電池全体の厚みと効率・安定性トレー

我々は厚さ1µmの超薄型基板を利用したドオフの関係を持っているという課題を抱えていました。

有機太陽電池は次世代の太陽電池と超柔軟な有機太陽電池の研究を進めてきして近年世界中で活発な研究が進む研ました。基板や封止膜を含めた全体の膜究分野です。プラスチックなどのフレキシブ厚が数µmという超薄型有機太陽電池はル基板上に作製可能であり柔軟性に富む

くしゃくしゃに曲げても壊れず、皮膚や衣服こと、印刷手法によって大面積を高スルーなどに貼り付けても装着感を感じさせずに我々は基板や封止膜を含めた総膜厚プットで形成可能であること、という2つの使用することができます。
このような究極の3µｍの超薄型有機太陽電池の性能向上

大きな特徴から、従来のシリコン系太陽電薄さ・軽さによって単位重さ当たりの発電と応用研究で世界最先端の成果を達成

池では実現困難な電力供給の形が実現

量は数十W/gにまで到達します。このようしています（図1）。具体的には、世界最高可能であり、ウェアラブルエレクトロニクス

な特徴は社会のあらゆる場所にエレクトロのエネルギー変換効率15.8%を達成しな向けの電力供給技術としての使用が検討

ニクスが存在する未来社会における電力がら、伸縮性、水安定性、耐熱性を両立さされています。

供給の問題を解決する有望なアプローチ

せ、それを電源として用いた皮膚貼り付け・になりえます。

自立駆動型の生体センサを実現しました。

有機太陽電池の技術課題は大きくエネルギー変換効率の向上と、大気環境でのしかしながら、このような超薄型の高分子使用・保管安定性の改善の２点が挙げられフィルムを基板材料として使用すると、効率研究の成果

1. エネルギー変換効率向上ます。新しい材料開発によって有機太陽電や安定性が著しく悪くなるという大きな課題

研究着手当時（2015年）4.2%だった池のエネルギー変換効率（PCE）
は急速にが存在します。これはフレキシブル基板材

超薄型有機太陽電池のエネルギー変換効向上しており、2022年1月現在硬いガラス料の低い熱安定性・高い熱膨張係数や、率をおよそ６年間で15.8%まで向上させる基板を利用して18.2%に到達しています。

ガスバリア性の低さに起因した酸素・水分ことに成功しました【1】。
この値は2022年1

また、大気中での駆動安定性についても、の発電層への侵入などが原因です。特に、月時点、基板厚さ10µm以下の超薄型有ガラス基板・ガラス封止を行うことで30年基板の膜厚を薄くすることは熱安定性やガ機太陽電池での世界最高値です（図2）。

以上安定的に駆動可能であるという報告

スバリア性を損なう要因となってしまうため、このようなエネルギー変換効率の向上のカがなされており、ガラス基板を使用した場合では実用化に向けた目途が一定程度見えてきている段階に到達しています。

図2 有機太陽電池のエネルギー変換効率効率向上の歴史図1 超柔軟な有機太陽電池

基板や封止膜を含めた厚さが3µmで、クシャクシャにしても壊れない。

厚さ10µm未満の超薄型太陽電池で我々は世界最先端の効率を更新し続けている。

ギとなったのが、高耐熱・高平坦な超薄型高分子基板の開発と、新規電荷輸送材料

図3 超薄型有機太陽電池の安定性改善

図4 超薄型有機太陽電池を利用した自立駆動型心電計測デバイスの開発です。これらの新たな材料やプロセ（a）
指に貼り付けた写真

スによって、超薄型有機太陽電池のエネル

超薄型心電計測デバイス

ギー変換効率は通常のフレキシブル有機太陽電池に匹敵する値を達成できるようになり、硬いガラス基板上の有機太陽電池と比しても遜色ない値に近づいています。

超薄型有機太陽電池

2. 環境安定性改善（b）
取得した波形データ

超薄型有機太陽電池の効率を向上させながら、環境に対する安定性の改善を同時に達成しました。より具体的には、水中に120分浸漬しても性能劣化が5.4%という高い耐水性【2】、100℃の加熱を行っても全く性能劣化のない高い耐熱性【3】、水につけても壊れず、耐熱性が高いため加熱圧着フィルムを利用して衣服に貼り付けることも可能で、100日以上大気で保管してもほとんど劣化しない。

3000時間以上大気中暗所で保管しても3. 自立駆動・皮膚貼り付け型の生体センサに皮膚貼り付け型センサ用の電力源としてし伸長を加えても性能劣化が3%という高超薄型有機太陽電池を電力源とした自使用可能であることを実証してきました。今い機械的安定性【5】、という様々な環境要立駆動・皮膚貼り付け型の生体センサを実後は様々な光電子デバイスと集積化させる因に対する安定性を達成しています。

証し、超薄型有機太陽電池がウェアラブルことで、新しい電力供給の形が生み出す新性能劣化が5%以下【4】、100回の繰り返

耐水性に関しては、超薄型基板をゴムセンサ用の電力源として使用可能であるこたなエレクトロニクスの様式を提案できるよでラミネーションする新しい構造により、伸とを実証しました（図4a）。有機太陽電池かうな研究に注力したいと考えています。超柔縮可能性を維持しながら水に対する耐久らの電力によってセンサを駆動させる、超薄軟・超軽量だからこそできるエレクトロニクス性を圧倒的に改善することに成功しまし型の自立駆動心電計測システムを構築しまを示すことで、次世代社会の構築へ貢献すた。耐熱性に関しては、耐熱性に優れた低した。
このデバイスを人間の指に貼り付けるることが期待されます。

熱膨張係数の基板材料と、熱的に安定ことで、外部電源なしに心電計測デバイスな発電層材料の使用に加え、高撥水フッが駆動し、信号対雑音比25.9dBという高素系ポリマーと高ガスバリア性ポリマーのいシグナルノイズ（S/N）
比での信号取得に複合封止膜という二重封止膜のアイデア【6】。
成功しました（図4b）を組み合わせることで実現されました。これによって、ホットメルト手法による衣服貼付

謝辞
本研究は多くの方々のご支援・ご協力のもとに行われたものです。学生時代よりご指導いただきました東京大学染谷隆夫教

将来の展望

授
（現工学系研究科長および理化学研究アプリケーション応用の可能性を大きく広これまでに超薄型有機太陽電池の効率ンバー、国内外の共同研究者の先生方・げることに成功しました（図3）。大気保管向上と安定性改善の取り組みを行い、実際や、アイロン可能など、衣服上電源としての所主任研究員）をはじめ、全ての研究室メ企業の皆様に深く御礼申し上げます。

安定性に関して、上記の耐熱性に優れた発電層や基板材料という知見を手掛かりに、これまで100℃程度の加熱によって劣化していたホール輸送材料をさらに高温の150℃で短時間処理することで、性能回復するという新しい知見を発見しました。この手法を用いることで、室温暗所で3000時間保管後の劣化が5%以下という、極めて安定な超薄型有機太陽電池を実現しました。

References（参考文献 ）【1】S. Xiong, K. Fukuda, S. Lee, K. Nakano, X. Dong, T. Yokota, K. Tajima, Y. Zhou, T. Someya,Adv. Sci., 2105288 (2022).
【2】H. Jinno, T. Yokota, M. Koizumi, W. Yukita, M. Saito, I. Osaka, K. Fukuda, T. Someya, Nat.
Commun., 12, 2234 (2021).
【3】X. Xu, K. Fukuda, A. Karki, S. Park, H. Kimura, H. Jinno, N. Watanabe, S. Yamamoto, S.
Shimomura, D. Kitazawa, T. Yokota, S. Umezu, T.-Q. Nguyen, and T. Someya, Thermallystable, highly efficient, ultraflexible organic photovoltaics , Pro. Natl. Acad. Sci., 115,4589-4594 (2018).
【4】Z. Jiang, F. Wang, K. Fukuda, A. Karki, W. Huang, K. Yu, T. Yokota, K. Tajima, T.-Q. Nguyen,and T. Someya, Pro. Natl. Acad. Sci., 117, 6391-6397 (2020).
【5】F. Qin, W. Wang, L. Sun, X. Jiang, L. Hu, S. Xiong, T. Liu, X. Dong, J. Li, Y. Jiang, J. Hou, K.
Fukuda, T. Someya, and Y. Zhou, Robust metal ion-chelated polymer interfacial layer for
ultraflexible non-fullerene organic solar cells , Nat. Commun., 11, 4508 (2020).
【6】S. Park, S. W. Heo, W. Lee, D. Inoue, Z. Jiang, K. Yu, H. Jinno, D. Hashizume, M. Sekino, T.
Yokota, K. Fukuda, K. Tajima, and T. Someya, Nature, 551, 516-521 (2018).