Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
・20cm☐Glass 基板及び PET 基板上に素子をモジュール化した PV-D4610 を用いた逆型有機薄膜太陽電池を作製し、効率がそれぞれ 4% と 3% となった。また、両太陽電池ともに効率 5% が見込めることを確認した。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項は無い。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

サブテーマ1、2にすでに記載済みであるが、以下再録する。本研究の成果が事業化されると下記の点で環境政策に大きく貢献できる。

① 多くの種類が存在する太陽電池の中でも最も$\mathrm{CO}_{2}$の排出量の少ない太陽電池であることを本研究で明らかにしたように、京都議定書の$\mathrm{CO}_{2}$排出削減に貢献できる。

② 農作業シート等のこれまでにないフレキシブルな太陽電池を導入することにより、例えばビニールハウス農家が大量の重油を利用していた温度管理のためのエネルギーを太陽電池でカバーすることが可能になるため、CO $ _{2} $ の排出削減として貢献できる。

③ 利用部材が少なく、リサイクル可能な素材で構成できる太陽電池であるため、廃棄物の大幅な削減に大きく貢献する。現在主に利用されているのはシリコン太陽電池であるが、10000m²への設置を考えた場合、シリコン太陽電池はおよそ10トンの廃棄物を排出するが、今回開発した太陽電池はおよそ3kgしか廃棄物をださない。

④ 従来のシリコン太陽電池の生産には大型の製造ラインが必要であるが、今回開発した太陽電池は編むことで大面積の太陽電池を製造できるため大型の製造ラインが必要なく、設備に利用される資源の大幅な削減が可能になるという点で利用資源の削減、廃棄物の削減に貢献できる。

⑤ 超フレキシブルな太陽電池であるため、これまでの太陽電池では設置できない場所への設置も可能になり、実質的に太陽エネルギーの回収量を増やすことで自然エネルギーの利用率を上げることになり、CO₂削減に貢献できる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) T. Kuwabara, H. Sugiyama, M. Kuzuba, T. Yamaguchi and K. Takahashi : Org. Electron., 11, 6, 1136-1140 (2010).

“Inverted bulk-heterojunction organic solar cell using chemical bath deposited titanium oxide as electron collection layer”

2) T. Kuwabara, C. Iwata, T. Yamaguchi and K. Takahashi : ACS Appl. Mater. Interfaces, 2, 8,
“Mechanistic Insights into UV-Induced Electron Transfer from PCBM to Titanium Oxide in Inverted-Type Organic Thin Film Solar Cells Using AC Impedance Spectroscopy”

3) T. Kuwabara, Y. Kawahara, T. Yamaguchi, K. Takahashi : 1st International Conference on Materials for Energy, Karlsruhe, Germany, 2010

“Characterization of inverted organic solar cells with ZnO layer as an anode by ac impedance spectroscopy” (Proceedings, 3 pages in CD-ROM, 查読有)

4) I. Sasajima, S. Uesaka, T. Kuwabara, T. Yamaguchi and K. Takahashi: Org. Electron., 12, 1, 113-118 (2011).

“Flexible inverted polymer solar cells containing an amorphous titanium oxide electron collection electrode”

5) T. Kuwabara, M. Kuzuba, T. Yamaguchi and K. Takahashi: Proceedings of the 10^{th} International conference on Materials Chemistry (2011)

“Preparation of chemical bath deposited titanium oxide for its application in inverted bulk-heterojunction polymer solar cells”

6) T. Yamamoto, T. Ikai, M. Kuzuba, T. Kuwabara, K. Maeda, K. Takahashi and S. Kanoh: Macromolecules, 44, 17, 6659-6662 (2011)

“Synthesis and Characterization of Thieno[3,4-b]thiophene-Based Copolymers Bearing 4-Substituted Phenyl Ester Pendants: Facile Fine-Tuning of HOMO Energy Levels”

7) I. Sasajima, T. Kuwabara, T. Yamaguchi and K. Takahashi: Proceedings of the 21st International Photovoltaic Science and Engineering Conference (2011)

“Flexible inverted polymer solar cells with a sol-gel derived amorphous titanium oxide as an electron collection electrode”

8) M. Kuzuba, T. Kuwabara, T. Yamaguchi and K. Takahashi: Proceedings of the 21st International Photovoltaic Science and Engineering Conference (2011)

“Close relationship between the morphology of the photoactive layer and performance of inverted bulk heterojunction polymer solar cells”

9) Y. Matsuo, J. Hatano, T. Kuwabara and K. Takahashi: Appl. Phys. Lett., 100, 063303-1-3 (2012) "Fullerene acceptor for improving open-circuit voltage in inverted organic photovoltaic devices without accompanying decrease in short-circuit current density"

10) T. Ikai, A.K.M.F. Azam, M. Kuzuba, T. Kuwabara, K. Maeda, K. Takahashi, S. Kanoh: Syn. Met., 162, 17-18, 1707-1712 (2012)

“Synthesis of seleno $$ 3,4-c $$ pyrrole-4,6-dione-based polymers for polymer solar cells”

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 2009年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：成果展示（2009年2月）

2) 2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：成果展示（2010年2月）

3) 表研次：2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議、メインシアター特別講演（2010年2

月）「環境分野へのナノテク応用例の紹介…革新的有機薄膜太陽電池…」
4) 表研次：2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議、ミニシアター講演（2010年2月）「環境分野へのナノテク応用例の紹介…革新的有機薄膜太陽電池…」

5) 葛葉光洋，桑原貴之，山口孝浩，高橋光信：2010年 秋季 第71回応用物理学会学術講演会，長崎大学, 2010

「化学浴析出法により作製した酸化チタン薄膜を電子捕集層に用いた逆型有機薄膜太陽電池の光電変換特性」

6) 笹島郁美，桑原貴之，山口孝浩，高橋光信：2010年 秋季 第71回応用物理学会学術講演会，長崎大学, 2010

「PET film基板を用いた逆型有機薄膜太陽電池の開発」

7) 表研次: 金沢大学理工研究域サステナブルエネルギー研究センター第1回有機薄膜太陽電池部門 公開シンポジウム（2011）

「有機薄膜太陽電池の環境分野への貢献について」

8) 桑原貴之: 金沢大学理工研究域サステナブルエネルギー研究センター第1回有機薄膜太陽電池部門 公開シンポジウム（2011）

「金沢大学における有機薄膜太陽電池研究の現状と展望」

9) 桑原貴之：電気化学会北陸支部春季大会（2012年5月）

「素子構造設計を主軸とした高機能有機薄膜太陽電池の開発」(招待講演)

10）井改知幸，山本倫行，葛葉光洋，桑原貴之，前田勝浩，高橋光信，加納重義：第61回高分子学会年次大会（2012年5月）

「ビチオフェンを側鎖に導入したベンゾジチオフェン系π共役高分子の合成と有機薄膜太陽電池への応用」

11）高橋光信，桑原貴之：日本化学会第93春季年会（2013年3月）「大気中で塗って作製できる逆型有機薄膜太陽電池」（招待講演）

## （3） 出願特許

1）笠間泰彦、表研次、才田守彦、大泉春菜、相模寛之、横尾邦義、斎田隆、高橋光信、桑原貴之　：イデアルスター、金沢大学　：「ホールブロック層およびその製造方法、ならびにそのホールブロック層を備える光電変換素子およびその製造方法」　：国際出願番号 PCT/JP2010/063600　：2010年8月11日

2）桑原貴之、才田守彦、表研次、高橋光信：金沢大学，イデアルスター：「ホールブロック層の製造方法、ホールブロック層、光電変換素子、有機薄膜太陽電池パネル、および発光装置」：特願2011-190743：2011年9月1日

## （４）シンポジウム、セミナー等の開催（主催のもの）

1）平成23年度金沢大学-富山大学共同企画有機系太陽電池シンポジウム（2011年12月17日、金沢大学、観客50名）

2) 理工研究域サステナブルエネルギー研究センター（R S E T）の公開シンポジウム（2012年2月10日、金沢市アートホール、観客200名）

3) 第2回有機太陽電池ワークショップ（2013年1月10日12日、金沢市しいのぎ迎賓館、観客60名）
## （５）マスコミ等への公表・報道等

1) 日刊工業新聞（2009年2月20日、全国版、23面、日刊工業新聞社賞はイデアルスター）

2）日経産業新聞online (2009年4月3日、全国版、テクノサイエンス面、太陽電池にも新炭素物質—ナノテク展でイデアルスターが紹介)

3) 半導体産業新聞（2009年4月29日、全国版、5面、フラーレン用いた有機太陽電池を開発）

4) 日経産業新聞（2010年2月18日、全国版、1面、糸状「編む」太陽電池）

5）日経産業新聞（2010年4月6日、全国版、11面、イデアルスターの糸状太陽電池に注目が集まった）

6) 石川テレビ（2011年4月6日、有機薄膜太陽電池部門ついて5分ほど紹介）

7) 北國新聞夕刊（2011年4月11日、地方紙、「舞台」有機薄膜太陽電池に期待）

8) 日本経済新聞（2011年4月19日、石川版、北陸「核心一この人に聞く」新エネルギー研究拠点設立 効率向上へ数値目標）

9) 石川テレビ スーパーニュース（2011年4月28日、有機薄膜太陽電池部門ついて5分ほど紹介）

10) 朝日新聞（2011年6月22日、石川版、いしかわスクエア「金沢大学探訪」安く軽い太陽電池）

11）北國新聞（2011年8月8日、地方紙、塗る太陽電池実用化へ 金大と被災企業タッグ 東北に光あれ）

12) 富山新聞（2011年8月8日、地方紙、塗る太陽電池実用化へ、1 $ ^{\circ} $ -ジ）

13）東京新聞（2011年8月30日、ブロック紙、脱原発 議論素通り・・・市民ら「新エネルギー推進を」、1 $ ^{\circ} $ -ジ）

14) 北國新聞（2011年11月3日、地方紙、サステナブルエネルギーって何？）

15）北陸中日新聞（2011年1月1日、地方紙、里山里海のちから－社会として求めよう－）

16) 北國新聞（2012年1月26日、地方紙、新型の太陽電池実験）

17) 日刊工業新聞（2012年2月6日、業界紙、有機薄膜太陽電池 倉元製が量産技術、1°-ジ）

18) NHK金沢 かがのとイブニング（2012年2月8日、「“極薄”の太陽電池」5分ほど紹介）

19) NHKニュース おはよう日本（2012年2月14日、「太陽電池」5分ほど紹介）

## (6) その他

受賞歷

1) 2009年国際ナノテクノロジー展ナノテク大賞日刊工業新聞社賞（2009年2月）

### 8 \. 引用文献

特に記載すべき事項はない
## （4） 光利用効率向上設計

株式会社イデアルスター

表 研次

大泉春菜・横尾邦義・山本恵彦・小野吉弘

慶応義塾大学

斎木敏治

静岡大学

根尾陽一郎

<研究協力者>

有限会社テクノ・シナジー

田所利康(平成21年度)

平成21～24年度累計予算額：19,806千円（うち24年度：2,696千円）

予算額は、間接経費を含む。

平成20年度まではナノテクノロジーを活用した環境技術開発推進事業予算にて実施

## [要旨]

逆型有機薄膜太陽電池において、時間領域差分法を用いた多層膜干渉を考慮した光吸收量のシミュレーション法を開発し膜厚最適化が可能であることを示した。

外殻から透明電極、ホール輸送層、感光層、電子輸送層、芯線とで形成される繊維型太陽電池においてその発電効率を最大にするには外殻から入射した光が感光層内で吸収される割合を最大にする事が求められる。この為には各構成層での各々の光学定数を明らかにする必要があった。正確な屈折率，消衰係数が明確になる事で最適な光学設計が可能となる。このためエリプソメトリを用いて各層（ITO、ホール輸送層、感光層）の光学定数を算出した。更に感光層自体をナノファイバー化する事で光学機能性を高められる可能性について検討を行った。エレクトロスピニングにより形成された発光性・半導体有機高分子MEP-PPVナノファイバーを用いてナノファイバーを形成し、その光学特性について詳細に評価を行った。この結果一方向に配向することで発光強度の異方性が発現し、ナノファイバー化することで強励起時にその構造に起因すると思われる新しい発光スペクトルが発生することを確認した。

逆型有機薄膜太陽電池において、転送行列法シミュレーションにより、スペーサ層の

PEDOT:PSS干渉は決定的ではないことを見出した。また、近接場光学顕微鏡観察法が発電層構造の有力な観察方法であることを示した。

繊維形態太陽電池の光吸収シミュレーションのため多角柱近似を行い、膜厚に対して複雑な挙動が見られることを明らかにした。

## [キーワード]

多層膜干渉、逆型有機太陽電池、光吸收量シミュレーション、転送行列法シミュレーション、時間領域差分法、近接場光学顕微鏡、エリプソメトリ、ナノファイバー

### 1. はじめに

多層構造デバイスにおいて、発電層(P3HT/PCBM)における光吸收量を最大値へと導くためには、各層の厚さを慎重に設計する必要がある。特に着目すべきは、発電層そのものの厚さと

PEDOT:PSS層の厚さである。後者はホール輸送層であると同時に、入射光と金属電極からの反射
光の干渉効果を調整する役割を担っており、スペーサ層とも呼ばれる。発電層とスペーサ層の厚さを効率良く最適化するためには、系統的なデバイス作製・評価と同時に、計算機シミュレーションによる最適構造の提案が効率的である。

太陽光電池に入射した光は，各層で反射を繰り返し再び大気中へ放出したり，感光層以外で吸収されるなど効率は最適化されていない。そこで本サブテーマでは太陽光の利用効率を最大にする構造を決定するために必要不可欠な、個々の材質の光学定数を明確にすることを目的としている。繊維型太陽電池に使用されている材料としてはホール輸送層のPEDOT/PSS、電極材料のAu、感光層のP3HT+PCBM,電子輸送層のTiOxがある。これら材料の正確な光学定数（n：屈折率，k：消衰係数）が明らかになれば光学設計が可能と成り、反射光を抑制し感光層にて吸収を最大にする構造が決定される。維型太陽電池は外殻から透明電極、ホール輸送層、感光層、電子輸送層、芯線とで形成される。繊絨維型太陽電池においてその発電効率を最大にするには外殻から入射した光が感光層内で吸収される割合を最大にする事が求められる。また新たな取り組みとして、ナノからマイクロサイズの構造を感光層に導入する事で発現する光学機能性について検討・評価した。マイクロキャビティーとして広く知られる現象であり、共振器構造を導入する事で更なる光閉じ込めが可能になると考えられる。

光のエネルギー利用効率を最大値へと導くためには、発電層のクオリティ（モルフォロジー、pn接合・電荷輸送路の形成）向上とデバイスの層構造の最適化設計が必要である。特に、後者の情報をもとに発電層膜厚の最適値をある程度絞り込んだうえで、発電層の成膜プロセスを検討するという手順が妥当であろう。開発した計算機シミュレーションを用い、電極や電荷輸送層までを含めたデバイス全体の層構造の最適化について検討した。また、光利用効率向上のために太陽電池の両面利用を想定して、裏面（Au電極側）からの光入射に対する発電も考慮した構造最適化を行った。裏面からの光入射による発電効率を向上させるにはAu電極が薄いことが望ましいが、その一方で薄くすることにより、表面入射の際にAu電極からの反射が減少し、スペーサ効果が有効に働かないことが懸念される。つまりAu電極厚として最適値が存在することが予想されるので、その厚さを実験的に決定することを試みた。またこれらと並行して、発電層の評価の手段として、高い空間分解能を有する近接場光学顕微鏡を用いて発電層内のP3HTの蛍光分布を可視化する手法を開発した。相分離と蛍光消光度は密接に関連していることを利用し、アニーリングにともなう相分離を光学的に観察することを試みた。

繊維形態の太陽電池は曲面を有する構造であるため、光利用効率の向上にむけては、これまでの平面型とは異なる最適化設計が必要である。開発した計算手法を活用するため、曲面構造を多角柱（平面型の集合体）と近似し、最適な層厚について検討する。本サブテーマは以下の4つのサブサブテーマで構成されている。

（1）多層構造デバイス光吸收率計算法開発

（２）構成材料の光学特性評価

（３）光利用効率向上デバイス設計

（4）繊維形態光利用効率向上設計

## 2 ．研究開発目的

（１）多層構造デバイス光吸収率計算法開発
逆型有機薄膜太陽電池に対し、転送行列法を用いて多層膜干渉を考慮した計算機シミュレーションを行い、発電層における光吸收量を定量的に評価する方法を確立する。発電層でのP3HT/PCBMの相分離を反映した不均一な構造を有する薄膜に対する計算も想定し、時間領域差分法（FDTD法）による数値シミュレーションを導入する。

## （２）構成材料の光学特性評価

本サブサブテーマにおいては①繊維型太陽電池の各構成材料の光学定数を求める。また②ナノファイバーによる光学機能性について評価することを目的とした。

## （３）光利用効率向上デバイス設計

逆型構造に対し、転送行列法を用いて干渉効果を考慮した計算機シミュレーションを行い、発電層における光吸收量が最大となる発電層とスペーサ層(PEDOT:PSS)の膜厚を検討する。また、太陽電池の両面利用を目指し、最適なAu電極層厚を実験的に決定する。近接場光学顕微鏡を用い、発電層内のP3HT発光の空間分布を観察し、アニーリングにともなう相分離を光学的に観察する。

## （4） 繊維形態光利用効率向上設計

繊維形態を多角柱（太陽光の入射角がそれぞれ異なる平面型太陽電池の集合体）と近似し、（1）で開発した計算手法と（3）で得られた知見を活かし、最適な発電層厚を決定する指針を得る。

## 3 ．研究開発方法

## （１）多層構造デバイス光吸収率計算法開発

シミュレーションモデルとした逆型有機薄膜太陽電池の構造を図(4)-1に示す。ITO基板側からの太陽光入射に対し、裏面電極(Au)からの反射光との干渉も考慮しながら、多層構造内における電場強度分布を計算し、発電層における全光吸收量を評価する。パラメータとして入射光波長、発電層(P3HT/PCBM)厚、スペーサ層(PEDOT:PSS)厚を以下のように変化させ、系統的なシミュレーションを行った。

● 入射光波長：450～650nm、50nm刻み

● 発電層厚：50～200nm、25nm刻み

● スペーサ層厚：0～200nm、40nm刻み

$ \textcircled{1} (4) - 1 $

シミュレーションに用いた逆型薄膜太陽電池の層構造モデル。

なお、各層を構成する物質の光学定数（屈折率の実部、

虚部）はエリプソメータを用いた実測値、ならびに既存のデータベースより引用した値を利用した。

## （２）構成材料の光学特性評価
①分光エリプソメトリとフィッテングにより光学定数（n, k）の算出を行った。②一方向に配向したナノファイバーを作製する際には、図(4)-2に示すドラムコレクタを用いてエレクトロスピニングを行った。図(4)-3に示すフォトルミネッセンス装置を用いて光学特性を評価した。弱励起光源として405nm(CW)、強励起用に532nm(パルス)を用いている。発光画像とスペクトルが取得可能である。

図(4)-2 一方向に配向したナノファイバ

图4-3 光学特性评估装置

## （３）光利用効率向上デバイス設計

（１）で開発した計算手法を用いて発電層における光吸收量を指標として、その値が最大となる各層厚を検討した。主たる着眼点は以下の２つである。①電極までのキャリアの経路を確保するという視点から発電層膜厚は必要以上に厚くないことが望ましい。②一般にPEDOT:PSSがスペーサ層として機能し、裏側電極からの反射光との干渉効果の最適化設計を可能にすると考えられているが、その効果を全波長域にわたって定量的に評価する。（１）で開発した計算機シミュレーション（転送行列法）を用い、スペーサ層の膜厚の関数として、太陽光スペクトルをもつ入射光に対する発電層での光吸収量を計算した。計算モデルは図(4)-1を用い、発電層の厚さは150～250nm（25nm刻み）の範囲を想定した。なお、TiOx層厚は10nm、Au電極厚は90nmで固定した。上記の計算の結果を念頭におきながら、太陽電池の両面利用を想定して、Au電極層厚の最適化を試
みた。PEDOT:PSS層、発電層、TiOx層の厚さはそれぞれ80 nm、150 nm、10 nmに固定し、Au電極厚が90、60、30、22、15 nmの5種類の太陽電池を作製し、表面、裏面それぞれからの白色光入射に対してI-V特性を測定した。

ナノスケール空間分解能での発電層評価を目的として、近接場光学顕微鏡によるP3HT/PCBM薄膜の蛍光像観察をおこない、主にアニーリングにともなう相分離の評価をおこなった。近接場光学顕微鏡の微小開口を通して波長532 nmのレーザ光を照射し、P3HTを局所的に励起した。P3HTからの蛍光を外部の対物レンズで集光し、アバランシェフォトダイオードで検出した。試料を2次元走査することにより、蛍光画像を取得した。バルクヘテロ接合では、励起子が拡散し、ヘテロ接合部で電荷分離を起こすことにより、P3HTからの蛍光は弱められる。したがって、P3HTの空間的な蛍光強度分布が局所的なヘテロ接合の分布を反映することになる。

## （4） 繊維形態光利用効率向上設計

繊維形態の場合、太陽電池は曲面構造となるが、各層厚と比較してその曲率は十分に大きいので、局所的には平面形態と近似して計算をおこなった。曲面構造であることは、平面形態に対してさまざまな角度から太陽光が入射するとして取り込むことができる。(3)の結果をふまえ、スペーサ効果はさほど重要ではないと判断し、発電層厚のみを設計パラメータとして計算をおこなった。PEDOT:PSS層厚、TiOx層厚、Au電極厚はそれぞれ80 nm、10 nm、90 nmで固定した。

## 4 ．結果及び考察

## （１）多層構造デバイス光吸收率計算法開発

図(4)-4にFDTD法によるシミュレーション結果の一例を示す。入射光の波長は550nmである。図は電場強度の1サイクル平均値の空間分布を示している。裏面電極からの反射により、定在波が形成されていることがわかる。この電場強度を発電層内で積分することにより、光吸收量を評価する。

図(4)-5はさまざまなスペーサ層の厚さに対して、発電層での光吸収量が波長とともにどのように変化するかを計算した結果である。

(a)、(b)はそれぞれ発電層厚200nm、100nmの場合についての結果である。発電層厚が200nmの場合、短波長領域では発電層での光吸收が強いため、光は往路でほとんどすべて吸収されてしまい、裏面反射による干渉効果は見られ

图(4)-4

図(4)-1 のモデルに対して波長 550 nm の光を垂直入射した場合の電場強度（1 サイクル平均）の分布。

ない（光吸收量がスペーサ厚に依存しない）。長波長領域では一部の光が透過するので干渉効果が若干確認できる。発電層厚が100nmの場合、発電層による光吸収が弱まる分、より短波長領域からスペーサ厚依存性が見え始めている。なお、FDTD法による数値計算と転送行列法による解析的な計算の結果が良く一致することが確認された。
国(4)-5

発電層での電場強度積分値の波長依存性。(a)、(b)はそれぞれ発電層厚が200nm、100nmの場合。スペーサ層厚を0～200nmの範囲で変化させて計算をおこなっている。

## （２）構成材料の光学特性評価

## 1 ）光学定数の算出

分光エリプソメトリで得られた分散関係から、光学定数を算出する例を示す（図(4)-6）。石英基板上のITOフィルムの分散関係からフィッティングによりn,kが求められる。

図(4)-6 ITO/石英基板の分光エリプソメトリ結果と算出されたn,k

図(4)-7にAu、P3HT+PCBM、TIOx、PEDOT.PSSの光学定数の算出結果をまとめる。この様に全ての構成材料の光学定数の算出に成功した。
図(4)-7 (左上)PEDOT.PSS, (右上)Au, (左下)P3HT+PCBM, (右下)TiOx ①n,k

## 2 ）ナノファイバー光学特性

MEH-PPVを発光性・半導体有機高分子として用い、クロロホルムを溶媒としポリエチレンオキシド(PEO)を溶媒に対して3wt%添加する事でナノファイバーの作製に成功している。図(4)-8に無

図(4)-8 (左)無配向、(右)配向ナノファイバーの SEM 像
配向と配向したナノファイバーのSEM像を示す。これらを用いて光学特性を評価した。

ナノファイバーの励起光にCWレーザー(波長：405nm)を用いた時の発光の様子とその発光スペクトルを図(4)-9に示す。

無配向ナノファイバー

配向ナノファマイバー

図(4)-9 ナノファイバーの発光の様子とそのスペクトル

また配向したナノファイバーから得られた発光には偏光特性があることが明らかとなった（図(4)-10）。ナノファイバー配向方向に対して同様方向に偏光したCWレーザー(波長：405nm)の励起光を入射したところ、0°と180°入射で最も強い発光が得られ、90°で最も発光が弱くなることから配向方向と同様の方向成分を持った発光が多く得られるということが確認された。

図(4)-10 励起光の偏光と配向

方向の発光高強度変化

図(4)-11 強励起時のスペク

卜儿变化

### a. 強励起によるAmplified Spontaneous Emission(ASE)スペクトル

次にナノファイバー配向方向に偏光したパルスNd:YAG SHGレーザー(波長:532nm)による強励起を行ったところ次のような結果が得られた（図(4)-11）。励起強度を上げることで549nmに新たなスペクトルが発生した。ナノファイバーの構造を反映した発光であると考えられる。
## （３）光利用効率向上デバイス設計

シミュレーション結果を図(4)-12に示す。発電層の厚さは150～250 nm（25 nm刻み）の範囲を

图(4)-12

発電層（P3HT/PCBM）における光吸收量のスペーサ層（PEDOT:PSS）厚依存性。

想定した（TiOx層厚は10 nm、Au電極厚は90 nmで固定している）。発電層が厚い場合は、光が往路でほぼすべて吸収されるため、Au電極からの反射光との干渉はほとんど起こらず、スペーサ層厚に対する依存性は見られない。発電層が薄くなってくると依存性が若干見られる。スペーサ層が厚くなるにつれ、定在波の腹の位置がAu電極側へ徐々に寄るため、スペーサ層厚に対して単調に吸収量が減少する。最も薄い場合（150 nm）、最適なスペーサ層厚が50 nmあたりに存在する（スペーサが薄すぎると腹の位置が発電層からはずれてしまう）。ただし、いずれにしてもスペーサ厚に対する依存性は非常に小さく、スペーサ効果以外の視点からPEDOT:PSS膜厚を最適化すべきであることが明らかとなった。Au電極層厚の異なる太陽電池に対してI-V測定を行った結果

図(4)-13

(a)表面入射、(b)表面入射に対するI-V特性のAu電極層厚依存性。

を図(4)-13に示す。表面からの入射の場合、Au電極が薄くなるに従い、直列抵抗が大きくなり、短絡電流が減少している。後者の理由は、Au電極からの反射が減少し、スペーサ効果が弱められたためであると考えられる。一方、裏面からの入射の場合、Au電極が薄いほど光透過性が高まり、
短絡電流が増大している。これらの結果をまとめ、Au電極層厚の関数として、短絡電流をプロットした結果が図(4)-14である。Au電極を薄くすることは、スペーサ効果低減よりもむしろ、裏面入射の発電量の増大への寄与が大であることが明らかとなった。

图(4)-14

表面入射・裏面入射に対する短絡電流値のAu電極層厚依存性。

図(4)-15はアニーリング（150℃）時間が異なる試料に対して近接場光学顕微鏡により蛍光画像を計測した結果である。アニーリングとともに相分離が進行し、コントラストが明瞭になっていくようすがわかる。各蛍光画像の下にはそれぞれの空間周波数スペクトルを示している。アニーリングとともにスペクトルの中心部の成分が強くなっており、空間周波数の小さな（空間的に大きくうねる）相分離が形成されていることがわかる。このような明瞭な相分離の進行の観察はAFMによるモルフォロジー計測だけでは得られない情報である。

$ \text{図}(4)-15 $

アニーリング時間ごとの近接場顕微鏡による萤光画像（上段）とその空間周波数スペクトル（下段）.
## （4） 繊維形態光利用効率向上設計

計算結果を図(4)-16に示す。入射光波長532 nmと633 nmに対して、入射角の関数として、発電層での光吸収率をプロットしている。波長532 nmの光に対しては、発電層の吸収率が非常に大きいので、発電層厚依存性はほとんど見られない。一方、発電層での吸収が小さくなる波長633 nmの光に対しては、発電層厚に対する差異が顕著であり、200 nm近辺で吸収量が大きくなることが明らかとなった。

图4-16

発電層（P3HT/PCBM）における光吸収率の入射角依存性。入射光波長は532nmと633nmを仮定し、発電層膜厚150nm、200nm、250nmに対して計算をおこなっている。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

多層構造に対して簡便に発電層の光吸收量を計算する方法を提供し、太陽電池設計の効率化が促進される。また、FDTD法を導入することにより、発電層の相分離の度合いや不均一性を取り込んだ計算が将来的に可能となる。

カーボンナノチューブを紡績する基礎技術が確立できた。これにより太陽電池の芯線のみならずカーボンナノチューブが本来持つ強固な機械的強度を有する繊維の実現の可能性が出てきた。

設計パラメータが膨大な多層構造において、PEDOT:PSS層の干渉効果が決定的な影響を与えないことを見出した点は、最適化設計を効率的に進める意味で意義が大きい。また、エネルギーの効率的利用にあたって、太陽電池の両面使用は有効であり、Au電極厚の最適化にあたっても、干渉効果に関する知見は大きな役割を果たす。また、近接場光学顕微鏡による蛍光イメージングは、
従来活用されてきた原子間力顕微鏡によるモルフォロジー観察と相補的な情報を与え、発電層の改善に向けて有力な計測手段となる。

通常行われる平面型への垂直入射に対するシミュレーションからは容易に推測されない結果が得られた。特に長波長域においては、膜厚に対して複雑な挙動がみられ、計算機シミュレーションによる慎重な設計が必要であることが示唆された。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項は無い。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

サブテーマ1、2、3にすでに記載済みであるが、以下再録する。本研究の成果が事業化されると下記の点で環境政策に大きく貢献できる。

① 多くの種類が存在する太陽電池の中でも最も$\mathrm{CO}_{2}$の排出量の少ない太陽電池であることを本研究で明らかにしたように、京都議定書の$\mathrm{CO}_{2}$排出削減に貢献できる。

② 農作業シート等のこれまでにないフレキシブルな太陽電池を導入することにより、例えばビニールハウス農家が大量の重油を利用していた温度管理のためのエネルギーを太陽電池でカバーすることが可能になるため、CO $ _{2} $ の排出削減として貢献できる。

③ 利用部材が少なく、リサイクル可能な素材で構成できる太陽電池であるため、廃棄物の大幅な削減に大きく貢献する。現在主に利用されているのはシリコン太陽電池であるが、10000m²への設置を考えた場合、シリコン太陽電池はおよそ10トンの廃棄物を排出するが、今回開発した太陽電池はおよそ3kgしか廃棄物をださない。

④ 従来のシリコン太陽電池の生産には大型の製造ラインが必要であるが、今回開発した太陽電池は編むことで大面積の太陽電池を製造できるため大型の製造ラインが必要なく、設備に利用される資源の大幅な削減が可能になるという点で利用資源や廃棄物の削減に貢献できる。

⑤ 超フレキシブルな太陽電池であるため、これまでの太陽電池では設置できない場所への設置も可能になり、実質的に太陽エネルギーの回収量を増やすことで自然エネルギーの利用率を上げることになり、CO₂削減に貢献できる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

特に記載すべき事項はない。

## （2） 口頭発表（学会等）

1）櫻井啓紀、高島瑛介、斎木敏治：第10回レーザー学会東京支部研究会（2010）「逆型有機薄膜太陽電池の膜厚最適化」

2）高島瑛介、斎木敏治：第10回レーザー学会東京支部研究会（2010年3月3日）「近接場蛍光イメージングによる有機薄膜太陽電池活性層のナノ構造観察」
3) 2009 年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：成果展示（2009 年 2 月）

4) 2010 年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：成果展示（2010 年 2 月）

5）表研次：2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：メインシアター特別講演（2010年2月）

6) 表研次：2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：ミニシアター講演（2010年2月）

7) 櫻井啓紀，高島瑛介，表 研次，斎木敏治：第71回応用物理学会学術講演会（2010）「近接場蛍光イメージングによる有機薄膜太陽電池活性層のナノ構造観察」

8）永山大貴、高島瑛介、櫻井啓紀、斎木敏治：第11回レーザー学会東京支部研究会（2011）「逆型有機薄膜太陽電池の設計・作製と発電効率評価」

9) 高島瑛介、永山大貴、池田周一郎、斎木敏治：平成23年度金沢大学-富山大学共同企画有機系太陽電池シンポジウム（2011）

「近接場蛍光イメージングによる有機薄膜太陽電池のナノ構造観察」

10) 池田周一郎、永山大貴、高島瑛介、斎木敏治：第11回レーザー学会東京支部研究会（2012）「レーザ照射による有機薄膜太陽電池発電効率の向上」

11) 永山大貴、斎木敏治：第2回有機太陽電池ワークショップ（2012）

「高発電効率と高光透過性の両立に向けた逆型有機薄膜太陽電池の層構造最適化」

12) 三枝将大、永山大貴、山城郁也、斎木敏治：第12回レーザー学会東京支部研究会（2013）「両面受光型有機薄膜太陽電池に向けた金電極厚の最適化」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （4） シンポジウム、セミナー等の開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない。

## （５）マスコミ等への公表・報道等

1）日刊工業新聞（2009年2月20日、全国版、23面、日刊工業新聞社賞はイデアルスター）

2) 日経産業新聞online (2009年4月3日、全国版、テクノサイエンス面、太陽電池にも新炭素物質ーナノテク展でイデアルスターが紹介)

3) 半導体産業新聞（2009年4月29日、全国版、5面、フラーレン用いた有機太陽電池を開発）

4) 日経産業新聞（2010年2月18日、全国版、1面、糸状「編む」太陽電池）

5) 日経産業新聞（2010年4月6日、全国版、11面、イデアルスターの糸状太陽電池に注目が集まった）

## (6) その他

1) 2009年国際ナノテクノロジー展ナノテク大賞日刊工業新聞社賞（2009年2月）

### 8 \. 引用文献

特に記載すべき事項はない。
## （５）繊維形態デバイス設計

株式会社イデアルスター

表 研次

大泉春菜・横尾邦義・大東弘二・山本恵彦・小野吉弘

平成21～24年度累計予算額：3,212千円（うち24年度：795千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 本サブテーマは、有機薄膜太陽電池の繊維形態化実現に向けた構造の設計に当たる。繊維型太陽電池の基本的な構造は導電性繊維を中心線とした同軸型であり、5年間のプロジェクトではまず芯線材料の選定を行った。芯線材料はmetal繊維、導電性高分子繊維、フレキシブルプラスチック繊維に導電性高分子をコーティングした繊維、炭素繊維、CNT fiber (Carbon Nanotube fiber、カーボンナノチューブ繊維)を選定した。次にそれぞれの芯線に応じて選択可能な積層構造の設計を行った。最終年度ではより実現化に向けた構造として、CNT fiberを芯線に用いた繊維型太陽電池の構造設計を行った。

[キーワード] 繊維型太陽電池、電極芯線、導電性高分子、炭素繊維、CNT fiber

### 1. はじめに

軽量性、高フレキシブル性が特徴の有機薄膜太陽電池を繊維形態化することによってその特徴をさらに生かすことが可能になる。また繊維形態の場合、「編む・織る」によって多様な素子パターンを取りいれることが可能となり、基板型の太陽電池が設置できない場所への設置が可能になるなど太陽電池の利用範囲の拡大化が期待できる。本サブテーマは以下の3つのサブサブテーマにより構成されている。

（1） 繊維型太陽電池構成材料1次絞込

（2） 繊維型太陽電池構造1次設計

（3）繊維型太陽電池構造最終設計

## 2 ．研究開発目的

材料選定及び構造設計によって有機薄膜太陽電池の繊維形態化を実現させることを目的とする。

### 3. 研究開発方法

（１）繊維型太陽電池構成材料１次絞込としては、繊維型太陽電池の芯線電極に使用可能な導電性繊維の調査及び選定を行った。（２）繊維型太陽電池構造１次設計では、選定した芯線材料に対して用いることができる同軸型積層構造の設計を行った。（３）繊維型太陽電池構造最終設計においては、有機薄膜太陽電池の繊維形態化の実現化に向けた観点から最も高効率化の期待できる材料の選定及び積層構造の最終設計を行った。
## 4 ．結果及び考察

## （1） 繊維型太陽電池構成材料1次絞込

構成材料としてまず芯線材料の選定を行った。繊維には様々な種類が存在するが、繊維型太陽電池の芯線電極として用いるためには導電性を有する必要がある。導電性を有する繊維には、metal繊維、導電性高分子繊維、導電性高分子コーティングプラスチック繊維、炭素繊維、CNT fiberが挙げられる。metal繊維は芯線電極として高い導電性が期待できるが、重量やフレキシビリティという点では繊維型太陽電池に用いる大きなメリットは期待できない。また、溶液プロセスの場合は腐食を起こさない耐薬品性が必要になってくる。導電性高分子繊維の場合は繊維化が可能な材料を選ぶ必要があり、代表的な導電性高分子のPEDOT:PSSやPolyanilineは繊維を作ることが可能である。しかし一方で導電性がmetalのように高くないことや、繊維そのものの強度が強くないという問題点もある。ただし、導電性の面では材料に依存するため、今後高導電性の材料が開発されれば電極としての利用は期待できると考えられる。導電性高分子コーティングプラスチック繊維に関しては、ナイロンの繊維にPEDOT:PSSをコーティングしたものが一例として挙げられる。この場合、繊維としての特性（フレキシビリティ、強度や耐熱、耐薬品性など）は下地繊維に依存し、電極としての特性はコーティングする導電性高分子の特性に依存することとなる。炭素繊維やCNT fiberなどのカーボン系の繊維はmetal同等の導電性を持つが、フレキシビリティ、軽量性、耐薬品性といった面ではmetal材料よりも優れており、繊維型太陽電池の芯線電極としての優位性は高いと言える。

## （2） 繊維型太陽電池構造1次設計

次に選定した芯線材料上に同軸円筒型で積層が可能となる1次構造の設計を行った。有機薄膜太陽電池の基本的な素子構成は、図(5)-1に示すような芯線電極/キャリア輸送層/発電層/キャリア輸送層/対向電極であり、使用する芯線電極によって上に積層できる材料や構造設計の選択が必要になる。表(5)-1に各芯線に対して積層可能な構造と選択できる材料を示した。芯線電極上の第一層としては電子輸送層、hole輸送層が積層できる。電子輸送層としてはTiOx, ZnO、hole輸送層は

图(5)-1 繊維型太陽電池基本形狀

表(5)-1 繊維型太陽電池構成材料及它積層構造

芯線電極	第一層	第二層	第三層	対向電極
metal導電性高分子導電性高分子コートプラスチック繊維炭素繊維CNT fiber	[電子輸送層]TiOx, ZnO[hole輸送層]PEDOT:PSS, MoO3	[発電層]P3HT:PCBM	[hole輸送層]PEDOT:PSS, MoO3[電子輸送層]TiOx, ZnO	PEDOT:PSSMetal薄膜MetalメッシュMetalパターン(ITO)
PEDOT:PSSが標準であるが、下地芯線電極上に成膜が可能な材料及びプロセスの選択が必要である。第二層の発電層はP3HT:PCBMブレンド膜などが挙げられ、ここに高発電効率の得られる発電層を成膜することで繊維型太陽電池の発電効率向上が見込める。発電層上の第三層には第一層と対になるキャリア輸送層を積層するが、これも他の層同様に下地に均一成膜が可能な材料及びプロセスの選択が必要である。対向電極は同軸型構造では光を入射させる側の電極にあたるため、光透過性の高いものが求められる。PEDOT:PSSは透明電極材料として利用が可能である他に、metal膜をメッシュなどにパターン化することで導電性と光透過性を兼ね備えた対向電極を得られると期待できる。

本プロジェクトでは構造の1次設計に基づいてmetal芯線及び導電性高分子コートプラスチック芯線を使用した繊維型太陽電池素子を実際に作製し、同軸型構造での発電の原理実証に成功している。図(5)-2には導電性高分子コートプラスチック芯線同軸型太陽電池とその発電特性を示した。

図(5)-2 導電性高分子コートプラスチック繊維同軸型太陽電池及びその発電特性

## （3） 繊維型太陽電池構造最終設計

さらに、本研究ではより実用化に近付けるための最終的な構造の設計を行った。metal芯線や導電性高分子コートプラスチック芯線は、fiberというよりwireに近い素材であり、繊維型太陽電池の実用化に向けては芯線の細線化が求められる。また、metalや導電性高分子コートプラスチック繊維では、物性の面で有利な点と不利な点がそれぞれあり、いずれも実用化に向けた素材としての使用は難しい。そこで本研究ではCNT fiberを最終的な芯線電極材料に位置付けて実用化に向けた繊維型太陽電池の最終設計を行った。CNT fiberは前述の通りmetal同等の導電性を持ち、フレキシビリティ、軽量性、耐薬品性、加工性といった面ではmetal材料よりも優れている。しかし、このCNT fiberには表面にほつれや捻りによる凹凸があり、そのまま使用するとショートを引き起こす要因となる。したがって、有機層の積層に先だってCNT fiberの表面平滑化と形状の固定化が必須となり、その方法として導電性高分子でのコーティングが挙げられる。導電性高分子でCNT fiberをコーティングした場合、その上に積層できる材料はコーティング材料に応じて限られる。有機薄膜太陽電池はほとんどの層を溶液の塗布プロセスで積層していくため、例えばコーティングする導電性高分子が水溶性の場合は上の層に水系のプロセスは使用できなくなる。一方、下地コーティング層を侵さないような溶液プロセスの場合はこのような問題は生じなくなるが、その場合は相互の濡れ性を考慮する必要がある。本研究では、CNT fiberの下地コーティングとして導電性、コーティング後の表面平滑性の点から水分散系PEDOT:PSSを使用することとした。
CNT fiber/PEDOT:PSSを電極として考えた場合、有機薄膜太陽電池の基本構造からすればその上に積層されるのは電子輸送層もしくはhole輸送層となる。表(5)-1に示したように電子輸送層を積層する場合はその材料にTiOx, ZnOなどが挙げられ、hole輸送層の場合は、PEDOT:PSSがそのままhole輸送層として使用できる。次に積層されるのは発電層となるが、これはP_{3}HT:PCBM(クロロベンゼン溶液)などの材料を用いる。主に発電層材料の溶媒として使用されるクロロベンゼンやODCBは下層のPEDOT:PSSを侵すことが無いため、これらの溶媒を使用するプロセスであれば発電層材料自体には選択の幅がある。発電層の上には電子輸送層もしくはhole輸送層を積層する。考えられる材料は前述の通りであるが、いずれの場合も5年間の研究で検討してきた多くの成膜プロセスは親水性の膜を侵すものが多い。しかし、下地になる発電層はそれらに対して安定であるため選択肢はいくつか考えられる。むしろここでは発電層への濡れ性、密着性といった点を考慮する必要がある。

CNT fiber電極の対向電極としては、素子内部への入射効率の点から高光透過性のものが求められ

れ、ITO、導電性高分子、metal 薄膜・パターン化などが選択される。上記の設計によって同軸型の繊維型太陽電池が得られると考えられるが、CNT fiberのフレキシブル性を生かした形として図(5)-3に示すように同軸型以外にも編み込み・織りこみで素子パターンを設計することが可能であり、これによって素子面積の増大化や発電効率の向上が見込め、繊維型太陽電池の実現化が期待できる。

图(5)-3 CNT fiber 芯線型太陽電池形状

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

同軸型構造で繊維型太陽電池の発電実証を行い、より実用化に向けた構造の設計を行ったことは、有機薄膜太陽電池利用拡大への大きな進展であり科学的意義は大きい。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項は無い。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

サブテーマ1、2、3、4にすでに記載済みであるが、以下再録する。本研究の成果が事業化される下記の点で環境政策に大きく貢献できる。

① 多くの種類が存在する太陽電池の中でも最も $ CO_{2} $ の排出量の少ない太陽電池であることを本
研究で明らかにしたように、京都議定書のCO $ _{2} $ 排出削減に貢献できる。

② 農作業シート等のこれまでにないフレキシブルな太陽電池を導入することにより、例えばビニールハウス農家が大量の重油を利用していた温度管理のためのエネルギーを太陽電池でカバーすることが可能になるため、CO₂の排出削減として貢献できる。

③ 利用部材が少なく、リサイクル可能な素材で構成できる太陽電池であるため、廃棄物の大幅な削減に大きく貢献する。現在主に利用されているのはシリコン太陽電池であるが、10000m²への設置を考えた場合、シリコン太陽電池はおよそ10トンの廃棄物を排出するが、今回開発した太陽電池はおよそ3kgしか廃棄物をださない。

④ 従来のシリコン太陽電池の生産には大型の製造ラインが必要であるが、今回開発した太陽電池は編むことで大面積の太陽電池を製造できるため大型の製造ラインが必要なく、設備に利用される資源の大幅な削減が可能になるという点で利用資源の削減、廃棄物の削減に貢献できる。

⑤ 超フレキシブルな太陽電池であるため、これまでの太陽電池では設置できない場所への設置も可能になり、実質的に太陽エネルギーの回収量を増やすことで自然エネルギーの利用率を上げることになり、CO₂削減に貢献できる。

### 6. 国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 2009年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：成果展示（2009年2月）

2）2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：成果展示（2010年2月）

3) 表研次：2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：メインシアター特別講演（2010年2月）

「環境分野へのナノテク応用例の紹介…革新的有機薄膜太陽電池…」

4) 表研次：2010年国際ナノテクノロジー総合展・技術会議：ミニシアター講演（2010年2月）

「環境分野へのナノテク応用例の紹介…革新的有機薄膜太陽電池…」

5) 表研次：第1回有機薄膜太陽電池部門公開シンポジウム：講演（2011年1月）

「有機薄膜太陽電池の環境分野への貢献について」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

## （４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない
## （５）マスコミ等への公表・報道等

1) 日刊工業新聞（2009年2月20日、全国版、23面、日刊工業新聞社賞はイデアルスター）

2）日経産業新聞online (2009年4月3日、全国版、テクノサイエンス面、太陽電池にも新炭素物質—ナノテク展でイデアルスターが紹介）

3) 半導体産業新聞（2009年4月29日、全国版、5面、フラーレン用いた有機太陽電池を開発）

4) 日経産業新聞（2010年2月18日、全国版、1面、糸状「編む」太陽電池）

5）日経産業新聞（2010年4月6日、全国版、11面、イデアルスターの糸状太陽電池に注目が集まった）

6) 日本経済新聞（2010年10月11日、全国版、11面、イデアルスター糸状太陽電池を開発）

7) 化学工業日報（2013年2月1日、畳める太陽電池開発）

8) 電波新聞（2013年2月15日、CNT.実用化間近に）

## (6) その他

受賞歷

1) 2009年国際ナノテクノロジー展ナノテク大賞日刊工業新聞社賞

### 8 \. 引用文献

特に記載すべき事項はない
## （6） 繊維型太陽電池製作

株式会社イデアルスター	表 研次
大泉春菜・横尾邦義・大東弘二・山本恵彦
小野吉弘
静岡大学	根尾陽一郎
金沢大学	高橋光信・桑原貴之
九州産業大学	古賀啓子

平成21～24年度累計予算額：23,308千円（うち24年度：11,318千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

感光層自体を繊維化した高分子材料で構成する手法としてエレクトロスピニングを選択し、装置開発から代表的な高分子半導体のナノファイバー化に成功した。

100°Cの加熱で製膜できるゾルゲル酸化亜鉛膜を開発し、大気中低温プロセスによる長寿命フレキシブル有機薄膜太陽電池の開発に成功した。この太陽電池作製プロセスは大気中低温で行えるため、繊維型太陽電池にも応用できるものと期待される。

繊維型太陽電池の芯線に求められる性能は、低抵抗という電気特性のみならず、布状へ加工できる高度な機械的強度である。1ステップ成長による高密度高速成長を実現したカーボンナノチューブCNTを選択し機械的強度の更なる向上を行った。カーボンナノチューブから引き抜く際に同時にスピンドルを行いより強固なファイバーを作製した。また形成後ポスト処理としてスピンドルを加えることでその強度が更に向上することに成功した。

高耐久性の逆型構造を繊維太陽電池に適用するために不可欠な紫外光なしで駆動する低温プロセスで作製できる電子捕集層(ZnO)を見出すことができた。また、光透過性のあるPEDOT:PSSは正孔捕集層としてのみ機能するのではなく補助集電極としての役割も果たしていることが分かった。繊維型素子の光が当たらない部分にAu集電極を形成させておけば、PEDOT:PSSが導電性であるためにAu電極まで光生成した正孔を移動させて太陽電池として機能させることが可能である。最終的にCNT繊維を芯線とする太陽電池が製作されたので、引張試験を行い、その破断面を走査型電子顕微鏡で観察し、各層の厚さと接着性を評価した。

metal繊維型、導電性高分子コートプラスチック繊維型の太陽電池を作製し、発電を実証した。さらに、有機薄膜太陽電池の繊維形態化に向け芯線電極材料にCNT繊維を用いて同軸型及びシートタイプの繊維型太陽電池をそれぞれ作製し、実際に発電に成功した。

## [キーワード]

逆型有機薄膜太陽電池、繊維型太陽電池、酸化亜鉛、カーボンナノチューブ繊維(CNTfiber)、エレクトロスピニング、ナノファイバー、化学浴析出法、酸化チタン、引張試験

### 1. はじめに