ウェアラブル小型電源の開発
電子デバイス技術課 寺澤孝志、角田龍則
1. 緒言究所）を真空蒸着により、膜厚 200nm を成膜した。作製

ウェアラブル小型電源の開発を目標に、有機薄膜太陽した有機薄膜太陽電池（OSC）の外観を、図 2 に示す。

電池（OSC：Organic thin-film Solar Cell）の特性の安定化

太陽電池出力特性（J-V 特性、最大電力）は、ソーラーシに取り組んだ。熱処理等の作製プロセスの見直しにより、ミュレータ（CEP-25、分光計器㈱）を用いて測定した。

活性層がバルクヘテロ構造のOSC において特性の安定化（短絡電流密度 2mA/cm2、開放電圧 0.2V）を図った。
さらにウェアラブル機器用の小型電源として、OSC のモジュール化を検討した。動作電流は大面積化または並列化、動作電圧は直列化が有効であることを確認した。OSC電源モジュールからコンバータ回路を介してウェアラブ
Fig. 2 Appearance of OSC

ル機器のバッテリーへの充電を試みた。

2.2 OSC の接続方法と出力特性2. 実験方法、実験結果および考察

図 3 に、太陽電池出力特性（J-V 特性）を示す。OSC

2.1 有機薄膜太陽電池の構成と作製方法

単体（cell1～cell4）では、短絡電流密度は2.1～2.8mA/cm2、有機薄膜太陽電池の構成およびエネルギー準位を図 1った。2 つの cell を直列に接続した場合、電流密度 J は低に示す。

下するものの、開放電圧 V は、単体の 0.20～0.22V から

e3.0

3.04.0hνP3HT0.25～0.26V と増加した。増加量が小さいのは、接触抵抗

e3.8によるところが大きく、接続部も太陽電池モジュールと4.3

5.0

4.85.3h+6.0

ITO電極0して一括して作製することにより、特性の低下を改善でhνPCBMきると考えている。

6.1h+

3.00

活性層（P3HT/PCBM）
300

550

cell 1cell 2cell 3cell 4直列cell1＋cell3
直列cell2＋cell4

Al電極

電流密度 J ［mA/cm2］

エネルギー準位（eV）

開放電圧 V は 0.2～0.22V、最大電力 0.11～0.17mW であ750 （nm）

Fig. 1 Structure of OSC and energy levels
基板は、ITO 膜付きガラス基板（1001、ジオマテック㈱）を用いた。ITO 電極の抵抗値は、5Ω/sq.、膜厚は 300nmである。基板は、酸素プラズマ処理を行い使用した。
活性層は、
ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)（P3HT）

2.00

1.00

0.00

（共にと[6,6]-フェニル C61 酪酸メチルエステル（PCBM）

0.00

0.10

富士フィルム和光純薬㈱）のジクロロベンゼン混合溶液をスピンコートすることにより成膜した。この活性層内780.200.30

電圧 V ［volt］

Fig. 3 OSC output characteristics (serial connection)

では、P3HT の高分子ネットワーク中に島状の PCBM の

図 4 に、太陽電池出力特性を示す。単体（cell3～cell6）

分散したバルクへテロ接合が形成される 1)。形成過程で、では、短絡電流密度 J は 2.0～2.8mA/cm2、開放電圧 V は溶媒の揮発、下層の性状、熱処理温度の影響で特性が変0.17～0.22V、最大電力 0.10～0.17mW であった。2 個の化する。ジクロロベンゼン混合溶液（溶質/溶媒）は、

cell または 4 個の cell を並列に接続した場合、短絡電流密（P3HT;15mg＋PCBM;12mg）/ml を用い、ITO 膜付きガ

度 J は、2 個の 3.9mA/cm2、4 個の 5.3mA/cm2 と増加した。

ラス基板上にスピンコートし、乾燥後、120°C の窒素雰

開放電圧 V はそれぞれ、2 個の 0.18V、4 個の 0.15V と低囲気で 10 分間、熱処理を行った。これによりバルクへテ下した。電流密度の増加量は大きかった。試作した cell

ロ接合の安定化を行った。活性層膜厚は 250nm である。の構造上、並列接続は直列接続に比べ接触箇所が少なか対向電極は、アルミニウム（Al：99.5%、㈱高純度化学研ったためと考えている。

Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)

4.00

cell 3cell 5cell 4cell 6
並列cell3, 4
並列cell3, 4, 5, 64.00

電流密度 J ［mA/cm2］

電流密度J ［mA/cm2］

6.00

2.00

0.00

0.00

0.10

0.20

3.00
2.00
1.00
0.00

0.30

電圧V ［volt］

電流密度 ［mA/cm2］00.20.40.6

電圧 V ［volt］

Fig. 4 OSC output characteristics (parallel connection)
1.00

正孔輸送層（ポリアニリン）あり
cell 3Fig. 6 OSC output characteristics (hole transport layer)
2.3 OSC 電源モジュールの試作と動作確認

並列→接続接続
直列→並列接続

現在の OSC 電源モジュールの性能は、正孔輸送層ありの OSC を用いた面積 2cm2 のもので、動作電流 4mA、動作電圧 0.5V である。スマートウオッチの電源としては

0.50

100mA･h、5V 程度が必要である。そこで図 7 に示すように、OSC の動作電圧を DC-DC コンバータ（TPS61200、T0.00

I Inc.）を介して 5V に昇圧し、スマートウオッチのバッ
00.05

0.1

0.150.2

電圧V ［volt］

Fig. 5 OSC output characteristics (connection method)

テリーに充電を行った。課題は、電源モジュールの高出力化である。

図 5 に、太陽電池出力特性と接続方法を示す。
↑ OSC電源モジュール

2 個の cell を並列接続し、直列に接続したもの（並列→直列接続）と、2 個の cell を直列接続し、並列に接続したもの（直列→並列接続）とを示す。それぞれ接続方法を反スマートウオッチ →映し、並列→直列接続では電流密度を大きくでき、直列→並列接続では電圧 V を大きくできることが判った。最大電力は、それぞれ 0.03、0.04mW であった。
以上のことから、直列接続により電圧 V を、並列接続により電流密度を調整でき、OSC 電源モジュールを作製することにより、電源が作製できることを確認した。一方で、バルクヘテロ構造の OSC であるために、開放電圧（または OSC の動作電圧）が稼げないと考えている。動作電圧の安定化には、正孔輸送層の挿入（ITO 電極と活性層の間）が有効であることが判っている 2)。図 6 に、正孔輸送層（ポリアニリン）を挿入した OSC の太陽電池出力特性を示す。短絡電流密度 J、開放電圧 V とも改善さ

DC-DCコンバータ →Fig. 7 Charging by OSC power supply module
3. 結言
有機薄膜太陽電池を用いたウェアラブル小型電源を検討した結果、動作電流は大面積化または並列化、動作電圧は直列化が有効であり、OSC 電源モジュールを試作し動作を確認した。
参考文献
1) 富山県産業技術研究開発センター研究報告 33, 87-88(2019)
2) 若い研究者を育てる会研究論文集 31,36-42(2018)

れ、最大電力は 0.56 mW と向上する。
キーワード：有機薄膜太陽電池、直列接続、並列接続、OSC 電源モジュール

Study on Small Power Supply for Wearable Device Using Organic Thin-film Solar Cell
Electronics and Device Technology Section; Takashi TERASAWA, Tatsunori KAKUDA
As a result of studying a wearable compact power supply using organic thin-film solar cells (OSCs), we have stabilized thecharacteristics (short-circuit current density 2mA/cm2, open-circuit voltage 0.2V) in an OSC whose active layer is a bulk
heterostructure. For the power supply module of OSCs, it was confirmed that increasing the area of OSCs or parallel
connection was effective for increasing the operating current, and series connection was effective for increasing the operating
voltage. Using the power supply module of OSCs, we worked on charging the battery of the wearable device.

富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)79