Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## 【調査の概要】

## 1 調査の目的

学校教育, 社会教育, 生涯学習関連及び教育行政のために地方公共団体から支出された経費並びに授業料等の収入の実態及び地方教育行政機関の組織等の状況を明らかにして, 国・地方を通じた教育諸施策を検討・立案するための基礎資料を得ることを目的として, 昭和24会計年度より毎年実施している。

地方教育費調査のうち教育行政調査は昭和28年度より実施している(平成11年度まで毎年実施, 以降隔年実施)。

## 2 調査の対象期間

地方教育費調查 平成26会計年度間(平成26年4月1日～平成27年3月31日)

教育行政調査 平成27年5月1日現在(隔年調査)

## 3 調査対象

都道府県及び市町村（特別区，教育事務組合，共同設置及び広域連合を含む。）の教育委員会並びに公立の幼稚園，小学校，中学校，特別支援学校，高等学校，中等教育学校，専修学校，各種学校及び高等専門学校（公立大学法人が設置する高等専門学校を除く。）を対象とする。

## 4 調査事項

(1) 教育委員会等における教育費調査

① 支出項目別，財源別學校教育費

② 支出項目別，財源別社會教育費

③ 支出項目別，財源別教育行政費

④ 教育施設別，科目別収入額

(2) 知事部局における生涯学習関連費調査（知事部局所管施設分）

支出項目別，財源別生涯学習関連費

(3) 教育行政调查

① 教育委員会の類型

② 教育委員の性別，年齢，職業，履歴及び報酬

③ 教育長の性別，年齢，職業，履歴及び報酬

④ 事務局の本務職員数

## 5 報告書刊行日

平成28年12月16日（金）

なお，調査結果は，文部科学省ホームページ

(http://www.mext.go.jp/b_menu/toukei/001/index05.htm) にも掲載。
課題名 B-0807 新規ナノマテリアルを用いた超フレキシブル有機太陽電池の研究

課題代表者名 表研次 （株式会社イデアルスター代表取締役副社長）

研究实施期间 平成20～24年度

累計予算額 175,282 千円（うち 24 年度 33,823 千円）

予算額は、間接経費を含む。

平成20年度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。

本研究のキーワード 有機薄膜太陽電池、繊維型太陽電池、バルクヘテロ接合、ナノ粒子、有機半導体、導電性高分子、フレキシブル、カーボンナノチューブ

## 研究体制

（１）ナノ粒子分散技術開発（（株）イデアルスター、東北大学、九州産業大学、金沢大学、

（財）小林理学研究所）

（２）繊維化技術開発（（株）イデアルスター、静岡大学、九州産業大学）

（３）太陽電池の製作（（株）イデアルスター、金沢大学）

（４）光利用効率向上設計（（株）イデアルスター、慶應義塾大学、静岡大学）

（５）繊維形態デバイス設計（（株）イデアルスター）

（６）繊維型太陽電池製作（（株）イデアルスター、静岡大学、金沢大学、九州産業大学）

（７）環境価値の評価（（株）イデアルスター）

## 研究協力機関

(株)倉元製作所、(有)テクノ・シナジー、横浜科学環境技研

## 研究概要

### 1. はじめに（研究背景等）

化石燃料の枯渇や地球温暖化等の問題から、世界的にクリーンエネルギーの早期開発と普及が求められている。このためには、太陽光発電が最も有望であり、地球上の全砂漠の4%を効率10%の太陽電池で覆う事により全世界の必要エネルギーが供給できるという試算もある。しかしながら、コスト、モジュール供給方法やその設置などの課題があり、現状の普及率はまだまだ低い。

有機太陽電池は、軽量かつフレキシブルであり、シリコン太陽電池では困難であるエリアにも設置でき、また製造に必要なエネルギーも少ないため低コストでできる。これらの事から、現在、世界中で活発な研究開発が行われている。しかし、現在、このフレキシブル性に基づく決定的な利用法が見出されていないことや、無機系太陽電池と比べ効率が低いという問題を抱えている。現在のシリコン太陽電池では回収出来ないエリアの太陽エネルギーを回収するには、有機材料の特徴を最大限に生かした繊維型有機太陽電池を開発する必要がある。この開発により、カーテンへの設置等が可能になり、これまでに回収されていない太陽エネルギーを回収することができる。

## 2 ．研究開発目的

有機薄膜太陽電池を繊維形状にすることにより、設置場所を選ばないで、現在回収できていないエリアの太陽エネルギーを回収可能にする太陽電池を世の中に普及させることを狙いとし、本研究は、従来の太陽電池では利用できなかったカーテンや農作業シートなどのより社会生活に身近な環境での太陽電池の普及につなげるための基礎的技術開発を行うことが本研究の目的である。最終目標を下記に設定した研究テーマである。

『同軸円筒状繊維型太陽電池を製作し、糸の状態のデバイスで発電原理を実証』

『平面型有機薄膜太陽電池で発電効率5%を実現すること』
### 3. 研究開発の方法

## （1） ナノ粒子分散技術開発

太陽電池の発電効率に大きな影響を与える導電性高分子中のナノ粒子の分散状態を短時間で計測する方法としてカンチレバーに電界を印加して導電性をマッピングする方法を開発し、ナノ粒子の分散状態を観察した。さらに太陽電池中のナノ分散状態に影響を与えるナノ粒子の品質の管理方法について検討した。

## （2） 纖維化技術開発

研究前半では、太陽電池の発電層を表面にコートできる円筒形状の素材の選定を行った。研究後半では、芯線の低抵抗化が発電効率向上に重要であることが研究により明らかになったため、導電性が高く、かつ繊維のフレキシブル性をもつカーボンナノチューブ繊維の製造技術を検討した。

## （３）太陽電池の製作

繊維型太陽電池は繊維の表面に発電層を形成する必要があり、200℃以上のような高温プロセスを採用することができないため、100℃以下の低温でも太陽電池を製造できるプロセスの開発を行った。さらに本研究テーマの最終目標である平面型太陽電池での発電効率5％を実現するために、発電効率を向上させる技術の開発を行った。

## （4） 光利用効率向上設計

太陽電池の光利用効率を向上させるために理論計算システムを導入し、平面型太陽電池において発電効率が最も向上する発電層およびホール輸送層、電子輸送層の最適膜厚を計算した。さらに繊維型太陽電池の光利用効率が繊維型太陽電池に入射される太陽光の角度を計算することで平面型太陽電池の結果を利用できることを証明し、繊維型太陽電池の最適な発電層の厚さを決定した。

## （５）繊維形態デバイス設計

平面型デバイスとして知られる有機薄膜太陽電池を円筒形でも発電できる構造として同軸型太陽電池を基本設計した。その設計した同軸型太陽電池が実際に製造できる構造にするために、塗布実験を行って積層構造および各層の材料を選定して繊維形態デバイスの設計を行った。

## （6） 繊維型太陽電池製作

研究前半では円筒形状でも発電できることを実証するために、プラスティック上に電極と発電層を塗布した円筒形太陽電池を製作した。研究後半では、繊維形態での発電実証を行うために、炭素繊維の表面に発電層を形成した太陽電池を製作した。さらに研究の結果、長さの長い太陽電池の場合、芯線の抵抗が大きいと発電効率を低下させることが判明したため、最終的に抵抗値の少ないカーボンナノチューブ繊維の表面に発電層を形成した太陽電池を製作した。

## （７）環境価値の評価

環境負荷を評価するためのLCA（ライフサイクルアセスメント、Life Cycle Assessment、環境影響評価）を計算するソフトを導入し、フィルム型有機薄膜太陽電池、繊維型有機太陽電池および布状有機太陽電池についてのエネルギーペイバックタイムおよびマネーペイバックタイムを計算した。

### 4. 結果及び考察

## （１）ナノ粒子分散技術開発

本研究開発の太陽電池はホールを伝導する導電性高分子の中に電子を伝導するナノ粒子を分散した発電層を有する。本テーマでは発電層にカンチレバーでホールを注入して電流値を読み取り、高速で2次元マッピングを行うことで分散状態を計測する方法の開発を行った。計測の原理を図1に示す。導電性高分子中のナノ粒子を観察した結果、導電性高分子しか存在しない部分はホールがよく流れ電流値が高く、表面にナノ粒子が存在する部分ではホールが流れず電流が低く、内部にナノ粒子が存在する部分では中間の電流値になる。実際に開発した導電マッピング装置を用いて計測した結果、ナノ粒子の分散状態を正確に計測できることがわかった（図2参照）。短時間で発電層の分散状態を計測する方法を開発することが出来た。

更にレーザーTOF—MS法によりナノ粒子の質量を計測することで、ナノ粒子中の不純物混入状態を評
価できることを実験により実証し、ナノ粒子の品質を管理する方法を確立した。

図1. 導電マッピングの原理説明

図2．導電性高分子中のナノ粒子

## （2） 纖維化技術開発

まず太陽電池の発電層を表面にコートできる円筒形状の素材を選定するために、発電層の塗布実験を行った。その結果、金属線、導電性高分子、高分子細線に導電性高分子をコーティングした線、炭素繊維に発電層が塗布できることがわかった（図3に写真を示す）。

図3. 発電層をコーティングできる芯線として選定した素材

繊維型太陽電池を構成する材料のうち，芯線に求められるのは太陽電池の性能に関係する低抵抗という電気特性のみならず，布状へ加工される場合を想定して高度な機械的強度であるため、最終的にすべての仕様を満足する材料としてカーボンナノチューブを選択した（図4参照）

図4．最終的に採用したカーボンナノチューブ繊維の写真

## （３）太陽電池の製作

本研究では、繊維型有機薄膜太陽電池の実用化のための重要な要素である、低温での素子の安定的な作り込み、高効率化について平面型太陽電池を用いて検討した。先ず、電子捕集層の新規製膜方法
を開発することで、安定且つ比較的低温で太陽電池が作製可能となった。具体的には、電子輸送層（ $ TiO_{x} $ ）の前駆体溶液中のTiイオンに対する錯化剤を低温沸点の溶媒に変更する検討を行い、最終的にジェチルアミン（DEA, b.p. 55℃）を用いることで実現できることを見出した。

高効率化の検討として導電性高分子とナノ粒子系材料の電子状態から大きな電圧を取り出せる組み合わせを検討し、目標である発電効率5%を超える5.8%を実現した（図5、表1参照）。

图5. 小面積 Glass/ITO/TiOx/PCBM: PV-D4610/PEDOT:PSS/Au 光電流-電圧曲線.

100 mm/cm^{2}の太陽光照射時．有効面積：0.5 cm^{2}．

表 1. PCBM: PV-D4610 を発電層に用いた小面積逆型有機薄膜太陽電池の電池特性

基板サイズ	$ J_{cc} / mA cm^{-2} $	$ V_{cc} / V $	FF	PCE / %
2.5 cm × 4 cm	11.31	0.83	0.62	5.82

## （4） 光利用効率向上設計

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ことが求められるため、各構成層での各々の光学定数を明らかにした。その結果を利用して太陽電池の各層の最適膜厚を計算により決定した。繊維型太陽電池の光利用効率を計算するために、円筒形の繊維型太陽電池には、通常であれば入射角が一つしか存在しない太陽光の入射角が、0°～90°までの積分で存在するという計算方法が有効であることを見出した（図6参照）。その方法を用いて計算を行った結果、繊維型太陽電池の発電層の最適膜厚が200nmであることがわかった。

図6. 繊維型太陽電池と太陽光の入射角の関係

## （５）繊維形態デバイス設計

本研究テーマでは、繊維型太陽電池の基本設計として表面に透明電極を配置する同軸型太陽電池を採用した。芯線の表面に発電層をコーティングした構造であり、芯線と表面の透明電極から電気を取り出すことが可能である。実験により選定した芯線素材に対して、選択可能な積層構造の設計を行った（図7参照）。
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:PSS
Metal薄膜
Metalメッシュ
Metalパターン
(ITO)

図7. 繊維型太陽電池の基本設計構造(上)と積層構造の構成材料(下)

## （6） 繊維型太陽電池製作

研究前半で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た。円筒形状の太陽電池が発電することを実証するために、導電性高分子コートプラスチック繊維型太陽電池に光を当てて電流計がリアルタイムで動くデモを行った（図8参照）。本研究の成果を2009年2月に国際ナノテクノロジー展に出展し、ナノテク大賞日刊工業新聞社賞を受賞した。研究後半では、有機薄膜太陽電池の繊維形態化実現に向けた構造の繊維型太陽電池素子作製を行った。

芯線電極材料にはカーボンナノチューブ

図8 nylon wire 型太陽電池による発電デモ

(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た。CNT繊維太陽電池の写真と発電特性を図9に示す。CNT繊維太陽電池で最終目標である糸の状態で発電できることを実証した。

図9. カーボンナノチューブ繊維の太陽電池 写真と特性

实测值Voc[V]Isc[mA]FF[-]Pmax[mW]0.4300.001370.290.000171

## （７）環境価値の評価

有機薄膜太陽電池のLCA計算を行った結果、各種太陽電池の中でも本研究で採用した有機薄膜太陽電池が最も環境負荷の少ない太陽電池であることがわかった。さらに、繊維型太陽電池はSi単結晶太陽電池に比べて環境負荷は半分以下であることがわかった（図11参照）。
図１１．各種太陽電池のＯ０２排出量の比較

## 5 ．本研究により得られた主な成果

## （1） 科学的意義

* 導電性AFM(Atomic Force Microscope、原子間力顕微鏡)によるナノ粒子の分散状態を評価するマクロ的評価法を確立した。

* 有機薄膜太陽電池の高効率化のための試みとして、製膜溶剤を変えことにより、有機発電層のモロフォロジーを制御することは大変有効であることを示した。

*化学浴析出法による酸化チタンの製膜法を新規に開発した。これにより、今まで困難であった大面積化技術に対して、より簡便かつ再現よく有機薄膜太陽電池を開発することが可能になった。

*100°Cの加熱で製膜できるゾルゲル酸化亜鉛膜を開発したことによって、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で低温で行えるため、繊維型太陽電池にも応用できるものと期待される。

* HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital 最高被占分子轨道)が深いPV-D4610(新規ドナー材料、M社開発コード番号)をドナー材料に用いることで、従来のドナー材料であるポリチオフェンの1種P3HT[poly(3-hexylthiophene)]より開放電圧が約200mV向上し、その結果、効率6%近くの逆型有機薄膜太陽電池を作製できた。

* 20cm 角のガラス基板及び 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。

*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ことを示した。また、FDTD法(Finite-Difference Time-Domain Method法、時間領域差分法)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し繊維を形成する基礎技術が確立できた．これにより均一な品質のカーボンナノチューブ繊維が形成可能となる．またその繊維は優れた剛性を有している．

* 本プロジェクトの5年間で開発した技術を用いてCNT繊維を芯線電極とした繊維型太陽電池を作製し、発電を成功させることができた。また、同軸型だけでなくシート型などの形状でも発電に成功した。このことは繊維型太陽電池の実現化へ向けた基盤技術として大きな進展であり、科学的意義が大きい。

* 有機薄膜太陽電池のLCAはこれまでなされていなかったが、本研究において、インベントリ分析を行い、LCAを行った結果、これまでの既存の太陽電池に比べて、発電効率が低いにもかかわらず、環境負荷が小さいことが確認された意義は大きいものがある。

また、これまでなされたことのない繊維型有機太陽電池および布状CNT有機太陽電池のエネルギーPBT(Pay Back Time)評価を行い、既存のSi単結晶太陽電池に比べて、発電効率が低い場合でMPT(Money Pay Back Time)は2/3、効率が改善されると半分以下となることが判明した。
## （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。

## く行政が活用することが見込まれる成果＞

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 ．研究成果の主な発表状況（1）主な誌上発表

## く査読付き論文>

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

2) T. Kuwabara, C. Iwata, T. Yamaguchi, K. Takahashi: ACS Appl. Mater. Interfaces, 2, 2254–2260 (2010).

“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) I. Sasajima, S. Uesaka, T. Kuwabara, T. Yamaguchi, K. Takahashi: Org. Electron., 12, 113–118 (2011).

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

4) 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”

5) 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”

6) T. Kuwabara, C. Tamai, Y. Omura, T. Yamaguchi, T. Taima, K. Takahashi: Org. Electron., 13, 7, 1136–1140 (2012)

“Flexible inverted polymer solar cells on polyethylene terephthalate substrate containing zinc oxide electron-collection-layer prepared by novel sol-gel method and low-temperature treatments”

7) T. Kuwabara, C. Tamai, Y. Omura, T. Yamaguchi, T. Taima, K. Takahashi: Org. Electron., 14,
2,649-656 (2013)

“Effect of UV light irradiation on photovoltaic characteristics of inverted polymer solar cells containing sol-gel zinc oxide electron collection layer”

（２）主な口頭発表（学会等）

1) 相模寛之、表研次、大東弘二、笠間泰彦、古賀啓子：第58回高分子討論会（2009）「一軸延伸結晶化P(VDF-TrFE)/水酸化フラーレンブレンド膜の構造と物性」

2) 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…」

3) 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」

4）高島瑛介、櫻井啓紀、斎木敏治：第10回レーザー学会東京支部研究会（2010）

5）櫻井啓紀、高島瑛介、表研次、斎木敏治：秋季第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」

6) 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”

7) 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”

「有機薄膜太陽電池の環境分野への貢献について」

9) 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」

10）高島瑛介、永山大貴、池田周一郎、斎木敏治：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」

11）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）

12) 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」

13) 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」

14）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」

15) 大村佳弘，桑原貴之，當摩哲也，高橋光信：秋季第73回応用物理学会学術講演会（2012年9月）「逆型有機薄膜太陽電池の光電変換特性に対するゾルゲル酸化亜鉛電子捕集層の加熱処理温度依存性」

16) 矢野勝寛，桑原貴之，當摩哲也，高橋光信：秋季第73回応用物理学会学術講演会（2012年9月）「逆型有機薄膜太陽電池の光電変換特性に対する化学浴析出酸化チタン電子捕集層の加熱処理温度依存性」

17）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)

18) 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」

### 7. 研究者略壓

課題代表者：表 研次

山形大学工学部卒業、工学博士、現在株式会社イデアルスター代表取締役副社長
研究参画者

（1）: 表 研次（同上）

(2) : 高橋光信

金沢大学工学部卒業、理学博士、現在金沢大学理工研究域教授

（3）: 斎木敏治

東京大学理学部卒業、工学博士、現在慶應義塾大学理工学部教授

（4）: 三村秀典

静岡大学工学部卒業、工学博士、現在静岡大学電子工学研究所教授

（5）: 高橋研

東北大学工学部卒業、工学博士、現在東北大学未来科学技術共同研究センター教授

（6）: 小川智之

慶應義塾大学理工学部卒業、工学博士、現在東北大学大學院工学研究科助教

（7）: 古川猛夫

東京大学工学部卒業、工学博士、現在小林理学研究所

（8）: 古賀啓子

東京理科大学理学部卒業、工学博士、現在九州産業大学総合機器センター
## B-0807 新規ナノマテリアルを用いた超フレキシブル有機太陽電池の研究

## （1） ナノ粒子分散技術開発

株式会社イデアルスター	表 研次
相模寛之・大東弘二・小野吉弘
東北大学	小川智之
九州産業大学	古賀啓子
金沢大学	高橋光信・桑原貴之
小林理学研究所	古川猛夫

平成21～24年度累計予算額：53,410千円（うち24年度：3,787千円）

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]

発電効率向上が期待されているLi内包フラーレン、および、PCBMについて、TOF-MSを用いた品質評価を行った。その結果、Li内包フラーレンについてはLi@C60の質量720の強度と不純物C60の質量720の強度比を全数計測することで品質管理基準を決定可能な指標を得ることができた。また、PCBMについては、150℃加熱まではPCBM-C60試料の分子構造の変化はほとんどみられず、高湿度や紫外線照射に対し安定していることが分かった。

発電層内のナノ粒子の分散状態を容易に評価する導電性AFMによる手法を開発した。P3HTとPCBM混合系の有機薄膜太陽電池に導電性AFMを適用し、TEM同様のPCBM凝集体の電流コントラスト像を得た。さらに、P3HTよりも光吸収波長域が広い高効率な新規ドナー材料を用いた系についても同様のPCBM凝集体の電流コントラスト像が得られ、この解析手法の有用性を確認した。

有機薄膜太陽電池のエネルギー変換効率を5%以上にするには、製膜溶剤を変えて有機発電材料のドナー・アクセプター粒子のサイズおよびモルフォロジーをナノサイズで制御することが大変有効であることを示した。

低温プロセスで良好な素子性能を示す太陽電池素子を作製することは、素子製造時の環境負荷を減らす点で重要である。そこで、順型構造太陽電池素子で報告された1.8-オクタンジチオール溶剤を用いた低温プロセスを逆型構造素子作製に適用し、素子性能を評価した。結果として、逆型素子構造の場合でも、高温での熱処理なく良好な相分離構造が形成され、従来の高温熱処理をした逆型構造素子と同程度の性能を示すことを確認した。

繊維太陽電池各層の構造観察により、各層の厚みと接着性を評価するとともに、各層間の接着性の改善のために、大気圧プラズマによる表面処理を試みた。

## [キーワード]

Li内包フラーレン、PCBM、導電性AFM、分散状態、モルフォロジー制御、有機薄膜太陽電池、逆構造、走査型遠視顕微鏡（SEM）、CNT繊維、大気圧プラズマ
### 1. はじめに

バルクヘテロ型有機薄膜太陽電池において、光入射により生じるエキシトンは有機半導体界面でフリーキャリアに解離するが、拡散長が約10nmと短いためナノモルフォロジーが太陽電池特性に大きく影響する。発電層単層中のPCBM凝集体は約5μm以上であった。このサイズになると、光学顕微鏡でも確認できる。ところが、実際の逆型太陽電池では、ITO上の発電層凝集体はより小さく、かつ存在密度が低いという結果を得た。この結果は、熱処理による発電層内PCBMの分散状態が、発電層上にPEDOT:PSSが存在する場合とそうでない場合とで異なることを示唆している。したがって、実際の素子構造で分散状態を評価しないと、太陽電池特性と分散状態の相関性に関して誤った解釈をしてしまう。また、高効率化のためにも、エキシトンの拡散長が短いことから、よりナノスケールでの分散を実現する必要がある。

なお、本サブテーマは以下の４つのサブサブテーマから構成されている。

（１）ナノ粒子の品質評価

（２）ナノ粒子分散状態のマクロ的評価法の開発

1）SEMおよびEPMA観察

2）AFM 観察

（3）高効率ナノ粒子分散技術開発

1）モルフォロジー制御

2）モルフォロジー観察

（４）繊維化プロセス対応分散技術開発

## 2 ．研究開発目的

## （１）ナノ粒子の品質評価

本研究では、発電効率向上が期待されているLi@C60の品質評価方法の確立、ならびに、PCBMの保管状況を系統的に変化させた際の品質の評価を行う。

## （２）ナノ粒子分散状態のマクロ的評価法の開発

## 1 ）SEMおよびEPMA観察

市販のカーボンファイバー（CF）にZnOを塗布した場合のZnO層およびITOに積層して作製した逆型太陽電池の発電層の各層が均一に塗布されているかどうか、SEMおよびEPMAで構造観察する。

## 2 ）AFM 観察

バルクヘテロ型有機薄膜太陽電池に関して、従来から発電層の分散状態を解析する手法として用いられているTEMに代わるマクロ的評価法を開発する。

## （3） 高効率ナノ粒子分散技術開発

## 1 ）モルフォロジー制御

有機薄膜太陽電池の発電材料の粒子サイズおよび膜のモルフォロジーを制御する方法としては、材料の比率・溶剤・調製環境・製膜環境・後処理・基板の状態などがあり、この多岐に亘る手法
を組み合わせて適切なナノ分散環境を作ることは、困難である反面非常に重要な研究である。本研究開発では、有機溶剤に着目し、有機発電層の最適な条件について調査した。

## 2 ）モルフォロジー観察

通常のクロロベンゼン溶媒に1,8-オクタンジチオール(ODT)を添加したP3HTとPCBMのブレンド溶液から発電層を形成した逆型太陽電池素子を作製し、太陽電池特性と発電層の分散状態の相関性について調べる。

## （４）繊維化プロセス対応分散技術開発

これまでに炭素繊維を大気圧プラズマ処理することにより、表面に酸素官能基を付加することができることを確認している。そこで、CNT繊維にも、同様の処理を施すことにより、その上にPEDOT:PSSを塗布する際の密着性・接着性の強化が期待できる。また、CNT繊維太陽電池の断面の反射電子像とEDX（エネルギー分散型X線スペクトル分析）測定により、各層の厚みと接着性を評価する。

大気圧プラズマ処理によるCNT繊維と導電層PEDOT:PSSの接着性の強化を図ることと、CNT繊維太陽電池の断面観察により、各層の厚さと接着性の評価を行う。

## 3 ．研究開発方法

## （１）ナノ粒子の品質評価

1）Li@C60の品質評価

○装置：島津製アキシマ（LD-TOF-MS）

○計測モード：ポジティブモード

○サンプリング：トルエン溶液によるサンプルプ

レートへの滴下

○計測サンプル数：18サンプル

○品質評価方法：Li@C60の質量720の強度と不純物

C60の質量720の強度比を全数計測

## 2 ）PCBM の品質評価

原料(PCBM)から分散溶液、薄膜、太陽電池デバイスまでの一連の試料形態を実現するための表面修飾／分散、塗布／蒸着、パターニング／微細加工等の各プロセスにおけるPCBMの安定性は重要となる。本研究では、異なる保存状態や分散溶液におけるPCBMの熱安定性、化学的安定性の検討をTOF-MSを用いて評価した。PCBM分子の模式図を図(1)-1に示す。また、PCBMの質量数、および、図中a)～f)のそれぞれで結合が切れた場合の質量数を同図に示す。TOF-MS装置（島津製作所社製AXIMA-CFR）を用い

図(1)-1 PCBM の模式図と質量数

formation	Mass
PCBM	910.1
C60	720.0
PCBM-C60	190.1
-a) 59.0	851.1
-b) 73.0	837.1
-c) 87.0	823.0
-d) 101.1	809.0
-e) 190.1	720.0
-f) 78.0	832.0
-g)-f)	773.0
-h)-f)	759.0
-c)-f)	745.0
-d)-f)	731.0
て各種試料の評価を行った。なお、測定モードはReflectron Negative modeであり、レーザパワーは100としている。評価試料には以下のものを作製した。

a 保存状態を様々に変化させた試料

· 通常保管(遮光大気下 $ 5^{\circ} $ C)したPCBM

・室温保管(遮光大気下室温 10days)したPCBM

・80℃～300℃の加熱処理(遮光 60hr)したPCBM

・60h紫外光照射したPCBM

・高湿度雰囲気保管(遮光 60hr)したPCBM

## b 溶媒を様々に変化させた試料

図(1)-2に、PCBMと混合した各種溶媒とその沸点、PCBM溶解性、および質量数を示す。本研究では、特に、PCBM溶解性が高く分散性が良好な溶媒中について、PCBM 10mgに溶媒1mlを添加した後、その溶液を加熱した。この時、加熱条件は25℃(加熱なし)、80℃、150℃とし、各加熱条件下で1hr攪拌の後サンプリングした。サンプルの乾燥は真空乾燥により行った。

溶罐名	略称	沸点[℃]	PCBM溶解性	Mass
Chlorobenzene	CB	131	有	112.56
1,2-dichlorobenzene	ODCB	180.5	有	147.01
Nitrobenzene	NB	210.9	有	123.06
Chloroform	CF	61.2	有	119.4
Dichloromethane	DCM	40	有	84.93
1,2,3,4-Tetrahydronaphthalene	tetralin	208	有	132.20
water	-	100	無	18.02
N,N-dimethylformamide	DMF	153	無	73.09
Dimethyl sulfoxide	DMSO	189	無	78.13
Dimethylacetamide	DMAc	165	無	87.1
Acetone	-	56.5	無	58.08
Ethanol	etOH	78.4	無	46.07

図(1)-2 PCBMと混合した各種溶媒とその諸物性.

## （２）ナノ粒子分散状態のマクロ的評価法の開発

## 1 ）SEMおよびEPMA観察

ZnOを塗布したCF（ダイアリード）に金のイオンコーティングを施し、走査型電子頭微鏡（JEOL JSM-6060）にて、加速電圧15kVで観察した。また、EPMA（JEOL JXA 8500RL）にてZnと炭素のマッピングを行った。

## 2 ）AFM観察

SPMは日本電子製の

JSPM-5200を使用した。図(1)-3

に本研究で用いたSPMにおける

導電性AFMのシステム図を示す。

導電性AFMは、白金コートされたカンチレバーを用いて、

Contact Modeで各位置の高さを計測して表面像を得ると同時に各位置における接触電流を計測することで、表面像と対応がとれた電流像を得る手法である。AFMの測定原理を詳細に説明す

図(1)-3 導電性 AFM システム構成図
ると、表面像を得るためにカンチレバーの先端に波長670nm、1mWの半導体レーザーを当て、その反射光を4分割フォトダイオードで受け、高さ方向の情報を得る。カンチレバーは電流プリアンプに接続されており、プリアンプを通して仮想グランドに接続されている。また、バイアス電圧はサンプル側から印加される装置構成になっている。導電性AFMに使用したContact Mode用のカンチレバーは、μ-Mash製の白金コートされたCSC11/Ti-Pt (ばね定数0.35N/m)を用いた。

図(1)-4に太陽電池構成材料と導電性カンチレバー材料のエネルギーダイアグラムを示す。導電性AFMにおける導電性カンチレバーの金属材料には、ドナーポリマーに容易にホール注入可能な白金コートカンチレバーを使用する。したがって、暗黒下で得られる電流像はホール電流に起因したコントラストとなる。そのため発電層内の構成材料の分散状態は、定性的には図(1)-5に示したようなモデルで生じると考えられる。すなわち、発電層表面にPCBMが存在するとホールが注入しないため電流小のコントラスト(a)を示し、一方膜厚方向にPCBMが存在しない場合には最も電流大のコントラスト(c)を示す。(b)のように表面にドナーポリマーが存在する場合にはホールは注入するが、膜内部にPCBM凝集体が存在するとホールは周り込んで流れる必要があるため、(a)と(c)の中間的な電流コントラストを示すと考えられる。

図(1)-4 太陽電池構成材料と導電性カンデレバー材料のエネルギーダイアグラム

図(1)-5 定性的に考え得る導電性 AFM により電流コントラストが生じる要因。

(a)はホール注入できない電流小

(b)ホール注入するが、キリア走行経路に障害物(PCBM凝集体)あり⇒電流中、

(c)ホール注入し、かつ障害物(PCBM 凝集体)なし⇒電流大

## （3） 高効率ナノ粒子分散技術開発

## 1 ）モルフォロジー制御

ITO基板上に電子捕集層としてTiOxを化学浴析出(Chemical bath deposition, CBD)法により製膜した。有機発電層であるPCBM:P3HT膜をPCBMとP3HTを溶解した各種溶媒から、また正孔輸送層であるPEDOT:PSSをその水分散溶液から、それぞれスピンコート法により製膜した。最後に裏面
正孔捕集電極としてAu電極を真空蒸着することにより、図(1)-6に示すITO/TiOx(膜厚40nm)/PCBM:P3HT(250nm)/PEDOT:PSS(60nm)/Au型素子（TiOx素子）（素子面積1.0cm²）を開発した。有機発電層であるPCBM:P3HT膜を作製する際の溶媒について検討し、発電層モルフォロジーと電池性能および耐久性の相関について研究を行った。

TiO $ _{x} $ 素子

図(1)-6 ITO/TiO_{x}/PCBM:P3HT/PEDOT:PSS/Au型素子(TiO_{x}素子)の素子構造

2）モルフォロジー観察

図(1)-7 本研究で用いた逆型構造の有機薄膜太陽電池素子構造

本研究に使用した有機太陽電池素子は、図(1)-7のような逆型構造をしている。P3HTとPCBMを重量比5対3でブレンドしたクロロベンゼン溶液に溶媒1mlに対して、1,8-ODTを30.6mg加えた溶液をTiOx層上にスピンコートして形成した。上部金電極成膜後の前熱処理（20分間）を25℃（熱処理なし）、80℃、100℃、125℃と変え、その後80℃で30分間後熱処理を行い、太陽電池素子の特性を計測した。さらに、表面構造の観察は日本電子製のSPMであるJSPM-5200のTapping Modeにより行った。

## （４）繊維化プロセス対応分散技術開発

## 1 ）大気圧プラズマによるCNT繊維の表面処理

大気圧プラズマ処理は、図(1)-8に示す誘電体バリア放電方式で発生した均一なグロー放電プラズマ中に試料を入れて処理するもので、図(1)-9の装置により実施した。誘電体には耐熱性ガラスを用い、誘電体の間隙は10mmである。赤紫色の均一なグロープラズマが発生している。この中にポリプロピレン(PP)フィルム(厚さ100μm)を置き、ヘリウム4l/min、窒素0.4l/minの混合ガスを流し、プラズマ出力300W(30kHz)で、PPフィルムに表と裏の2回、5分ずつ大気圧プラズマ処理を施した。

PPフィルムの表面ぬれ性の評価は接触角計（協和界面科学製、CA-DT・A）を使用して水滴を垂らして、接触角を測定した。また、その様子を写真に撮った。

CNT繊維の大気圧プラズマ処理は、プラズマガスとしてヘリウム 5l/min、酸素 0.2l/min、プラズマ出力を200W（30kHz）、処理時間5分で行った。CNT繊維表面のX線光電子分光(XPS)測定を行った。使用した装置は島津製作所ESCA3400である。X線管はMgを使用し、管電圧10kV、管電流20mAで測定した。未処理のCNT繊維、プラズマ処理後、発電層塗布後の表面形態を走査型電子頭微鏡（JEOL JSM-6060）用い、そのまま（金のコーティングなしで）加速電圧5kVにて測定した。
図(1)-8 誘電体パリア放電

図(1)-9 大気圧プラズマ処理装置

## 2 ）CNT繊維太陽電池の断面の構造観察とEDX測定

CNT繊維太陽電池各層の形態および厚みを測定するために、表面および断面を走査型電子顕微鏡(JEOL JSM6060および日立TM3000)にて観察した。JSM6060で得られるのは、二次電子像（SE, Second Electron）であり、TM3000で得られるのは、反射電子像（あるいは後方散乱電子像、BSE, Back Scattered Electron）である。SEは形態観察には良いが信号が小さいため、高真空が必要である。それに対して、BSEは信号が大きいため、低真空でも良いことと、像には原子番号による明るさの違いが明確に出るため、元素組成が推測できる利点がある。

断面観察には、試料をエポキシ樹脂に包埋し、ダイヤモンドナイフでカットした面を無蒸着で観察した。さらに、TM3000にBruker nano GmbH社のQuantex 70 EDXを装着して元素分析を行った。

## 4 ．結果及び考察

## （１）ナノ粒子の品質評価

## 1 ）Li@C60の品質評価

質量スペクトルの計測例として、図(1)-10に2つのサンプル質量スペクトル結果を示す。質量計測を実施した18サンプルの質量スペクトル比のばらつきを表(1)-1に示す。この結果から、1.35から3.07の範囲に収まっており、数値が小さいほど不純物が多いといえるが、計測原理から想定すると品質は安定しているといえる。

図(1)-10 Li@C60 ① MS スペクトル

表(1)-1 Li@C60のMSスペクトル

サンプルNo.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
727/720	2.72	2.89	1.97	1.49	2.57	2.04	1.35	1.64	1.64	2.28	2.2	1.77	1.68	2.57	2.23	1.96	3.07	2.75
図(1)-11 D02 工法（上図）および D04 工法（下図）で作製した Li@C60 塩の MS スペクトル

また、イデアルスター社にてD02工法とD04工法のそれぞれで作製したLi@C60塩について、図(1)-11にTOF-MS測定の結果を示す。

Positiveモードでは、D02およびD04とも、主な不純物と考えられる空の $ C_{60} $ に相当するm/Z=720のピークは全く観測されず、主成分であるリチウム内包フラーレンカチオン塩(化学組成 $ [Li@C_{60}]PF_{6} $ )のカチオン $ [Li@C_{60}]^{+} $ に対応するm/Z=727のみが観測されており、両者とも高純度であることが分かる。

Negativeモードでは、D02およびD04とも、主な不純物と考えられる空の $ C_{60} $ に相当するm/Z=720のピークが観測されるが、メインピークである $ [Li@C_{60}]^{+}m/Z=727 $ 強度の3%弱である。 $ [Li@C_{60}]^{+} $ のアニオン化効率は、中性の空 $ C_{60} $ のそれよりかなり低いと予想されることから、両者の純度は十分高いと思われる。

## 2 ）PCBMの品質評価

## a 保存状態を様々に変化させた試料

評価装置のpositiveモードとnegativeモードの両測定モードにおいてC60の質量数に起因するm/Z=720の信号が検出されるものの、それ以外の質量数に起因する信号は試料によっても異なる。図(1)-12にPCBM-C60のTOF-MSの典型的な結果を示す。

PCBM-C60の信号はnegativeモードの方が検出されやすく、PCBM-C60がマイナスにチャージしやすいことを示している。しかしながら、PCBM-C60の信号強度はC60の信号強度に対して10%程度の強度でしか検出されない。レーザー照射パワーを系統的に変化させたが、いずれの場合もPCBM-C60の信号強度はC60の10%程度であった。また、PCBM-C60とC60の間にいくつか信号が検出されているが、図(1)-1に示した赤点線での切断形態には一致しない。図(1)-12中のm/Z=800～850の範囲で検出されるように、C60を含み赤点線で切断された分子形態の信号はpositiveモードの方が検出されやすい。これらの分子形態のものがもともと材料に含まれるものか、評価時のレーザー照射によって切断されたものかは現段階では不明である。

図(1)-13に、80℃～300℃で加熱したPCBM-C60試料のnegativeモードのMSスペクトルを示す。比較として、通常保管したものと室温保管したPCBM-C60試料のMSスペクトルも示す。この結果から、MSスペクトルには150℃まで加熱による大きな変化が見られないが、300℃で加熱した試料
図(1)-12 negative および positive モードにおける PCBM-C60 試料の MS スペクトル.

図(1)-13 80℃~300℃で加熱した PCBM・C60 試料の MS スペクトル. 挿図は 300℃で加熱した試料の MS スペクトルの拡大図.
では、PCBM-C60より少し低MS側m/Z=904付近に新たな信号が検出された（図(1)-13中の挿図参照）。この904付近の信号は、C、O、および、Hの質量数（C=12, O=16, H=1）を考えると、単純にPCBM-C60からCやOが脱離したものではないと考え、今後、Hの脱離の可能性も含め議論を重ねる必要がある。また、加熱しないPCBM-C60試料と300℃で加熱したPCBM-C60試料のpositiveモードのMSスペクトルの比較から、図(1)-1中のa)～d)で切断された分子形態の信号が検出されやすくなっているため、加熱処理により分子構造の分解が促進したものと考えられる。

図(1)-14に紫外光照射した場合、および、湿度80%下で保管したPCBM-C60試料のMSスペクトルを示す。通常保管したPCBM-C60試料と比較して、紫外光照射あるいは高湿度下において保管した試料のスペクトルに変化がほとんど見られなかった。これより、保管条件に対してPCBM-C60の分子構造が安定であることが分かった。

図(1)-14 紫外光照射した場合、および、温度80%下で保管したPCBM・C60試料のMSスペクトル. 挿図は $ m/Z=700\sim1000 $ の拡大図.

以上の結果から、300℃の高温保管を除き各種保管条件に対してPCBM-C60試料の分子構造は安定であることが分かった。

## b 溶媒を様々に変化させた試料

図(1)-15に、ODCB分散さ25℃,80℃,150℃で加熱したPCBMのTOF-MSスペクトルを示す。80℃加熱から質量数862の分子が検出され、温度の上昇とともに862の強度の比率が高くなることが分かった。また、NB分散させたPCBMのTOF-MSスペクトルでは、加熱なしの段階でも質量数862の分子が検出され、温度上昇に伴い比率が増し、150℃では838付近のピークも強く検出されている。

CB, ODCB, NB, tetralinの各種溶媒分散下で150℃に加熱した後のPCBMのMSスペクトルを図(1)-16に示す。これより、ODCB、NBでは質量数862の分子の信号比率が高くなり、CBでは質量数862の信号は小さいことがわかる。図(1)-13に示したように、PCBM原料では、150℃の加熱ではほ
図(1)-15 ODCB 分散させ 25℃, 80℃, 150℃の加熱処理を行った PCBM の MS スペクトル.

図(1)-16 各種溶媒で分散した溶液の $ 150^{\circ} $ C の加熱処

理を行った PCBM の MS スペクトル.

とんど変化がないことから、この結果は、溶媒が存在することで発現することが分かるが、その起源については現段階で不明である。起源の理解には、今回検出された質量数838や862の分子の検出再現性も含め、他の分散溶媒の安定性を考慮しながら、更なる検討が必要と考えられる。

## （２）ナノ粒子分散状態のマクロ的評価法の開発

## 1 ）SEMおよびEPMA観察

図(1)-17に示すZnO塗布CFのSEM写真から、100nm程のZnOの結晶が繊維方向に並んでいると見られる。CF上のZnOは一部不均一に塗布されている部分はあったが、写真のように、直径10μmのフィラメント表面にかなり均一に付いていることがわかる。EPMAの測定結果を図(1)-18に示す。写真はSEM像（左下）、右の二つのZnマッピングの上は、WDS（波長分散型検出器）、下はEDS（エネルギー分散型検出器）による結果である。倍率は1万倍が限界でCF表面全体がZnで覆われていることはわかるが、SEM像のように粒子まで分解してみることはできなかった。

逆型太陽電池セルの発電層のSEM写真を図(1)-19に示す。(a)では数百nm数の粒子が見えるが、
(b)は全く平滑な表面であり、粒子は見られない。

图(1)-17 ZnO 涂布 CF₃ SEM 写真

図(1)-18 ZnO 塗布 CF₃O₂ZnO 分布と、SEM 像

{a}

(b)

図(1)-19 逆型太陽電池の発電層の SEM 写真

## 2 ）AFM観察

初年度は、誘電スペクトル解析によるナノ粒子分散状態に関するマクロ的評価法の構築について検討した。簡単のため共通溶媒をもつ強誘電性高分子とフラーレンナノ粒子ブレンド系で検討を行った。図(1)-20に示した実測誘電スペクトルより、フラーレンの添加による新たな緩和モード（界面分極による導電緩和）が観測された。さらに、分散状態が大きく異なる膜（透明と不透明）を意図的に作製し、スペクトルを比較したところ、X線回折により膜内でフラーレンが良く分散した（フラーレン起因回折ピークが観測されなかった）膜では、そうでない膜に比べ、より低周波域に導電緩和が観測されることが分かった。

ただし、ナノ粒子サイズを視覚的に把握するには至らないため、2年目以降は新たに導電性AFMを用いた太陽電池発電層構成材料の分散状態に関する視覚的把握検討を行った。最終年度までの実施内容としては、(i)2年目ではITO電極上に塗布したP3HT:PCBMブレンド系の熱処理温度と溶媒の違いによるPCBMの分散状態の違いを、(ii)3年目では実際の素子構造に近いTiOx膜上に塗布したP3HT:PCBMブレンド系、(iii)4年目は大面積素子と高分子量P3HTブレンド系、(iv)最終年度である5年目は新規ドナー材料:PCBM系の分散状態を導電性AFMにより評価した。
図(1)-20 強誘電性高分子と水酸化フラーレン(88:12)ブレンド結晶化膜の誘電スペクトル

(a)

(b)

図(1)-21 新規ドナー材料を用いた有機薄膜太陽電池発電層(PVD-4610:PCBM=1:2)の導電性AFM観察結果(3μm×3μm)。(a)表面像、(b)電流像、(c)各図内黄色線の断面プロファイル。ITO側に-1Vのバイアス電圧を印加して状態で像観察を行った。①と②では表面高さと電流値が相関していない。