Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

本研究は、バンドギャップを最適化し製造上の課題を最小化するために三元ブレンド型サブセルを採用するスケーラブルなRAINBOW分光分割アーキテクチャが、単接合デバイスにおける12.9%の有機太陽電池効率を3接合構成では17.3%まで向上させ得ることを示し、高性能かつ量産可能な太陽電池としてのその実現性を確認した。

要約

雨水を単一の広いバケツで集めようとしている状況を想像してください。雨が弱いと少ししか集まりません。激しい豪雨だと、バケツはあふれて余分な水が失われます。これがまさに現在の従来の太陽電池の仕組みです：特定のエネルギーを持つ光子（光の粒子）のみを「捕まえる」ことができる単一の材料で作られています。光が弱すぎると、その材料はそれを無視します。光が強すぎると、その材料は光を捕まえますが、余分なエネルギーを熱として無駄にしてしまいます。

この論文の研究者たちは、RAINBOW という巧妙な新しい設計を用いて、より優れた「雨水収集システム」の構築を試みています。

従来の方法（積層）の問題点

通常、より多くの種類の光を捕まえるために、科学者たちは異なる太陽電池を積み重ねて、サンドイッチのようにします。最上層は明るく高エネルギーの光を捕らえ、残りを下層へ通過させます。しかし、これは構築が困難です。繊細なパンケーキを完璧に積み重ねようとするようなもので、もし正確に揃わなければ、全体が崩壊したり、機能しなくなったりします。また、各層が生成する電力量が完全に一致する必要があり、これはメーカーにとって頭痛の種となります。

新しいアイデア：RAINBOW アプローチ

研究者たちは、セルを垂直に積み重ねる代わりに、床のタイルのように横並びに配置しました。彼らは、プリズムのように日光を分光し、異なる色の光を異なるタイルへ送る特殊な光学ミラー（「光学素子」）を使用します。

• 青い光は「青タイル」へ。
• 緑の光は「緑タイル」へ。
• 赤い光は「赤タイル」へ。

これらは横並びであるため、完璧に積み重ねる必要はなく、電気出力を完全に一致させる必要もありません。これにより、スクイージーのような大規模で拡張可能なツールを使用した製造（ブレードコーティングと呼ばれるプロセス）がはるかに容易になります。

欠けたピース：「三元」ブレンド

チームは、「青」タイルと「緑」タイルはよく機能しましたが、最も低いエネルギーの遠赤外光を捕らえる「赤タイル」が苦労していることを発見しました。それは底に穴の開いたバケツのようでした。水を捕まえることはできても、多くのエネルギーが漏れてしまうのです。

これを修正するために、彼らは赤タイルに単一の材料を使用するのではなく、三元ブレンドを作成しました。
二元ブレンドをドナーとアクセプターの 2 つの果物だけで作られたスムージーだと考えると、三元ブレンドは 3 つ目の果物を加えたものです。

• 彼らは苦労していた赤の材料に、3 つ目の成分を混ぜ込みました。
• この 3 つ目の成分は「橋渡し」や「補助役」として機能しました。電流の流れを改善し、エネルギーの漏れを防ぎました。
• 具体的には、主な捕獲役であるCOTIC-4Fという材料と、補助役であるBTP-eC9を混合しました。

この新しい 3 成分混合物は、単に同じ量の光を捕らえるだけでなく、より効率的に光を捕らえ、その光をより多くの電気へと変換しました。

結果：より良い捕獲

チームはこのアイデアを 2 つの方法でテストしました：

1. コンピュータシミュレーション：これらのタイルを組み合わせた場合に何が起こるかをモデル化しました。その結果、2 接合システム（青＋赤）は**16.4%の効率に達し、3 接合システム（青＋緑＋赤）は17.7%**に達することがわかりました。
2. 実世界でのテスト：彼らは実際にブレードコーティング法を用いて、これらの横並びのデバイスを構築しました。結果はシミュレーションと非常に近かったです：
   • 2 接合デバイス：**15.9%**の効率。
   • 3 接合デバイス：**17.3%**の効率。

これは、単一材料のデバイスがわずか**12.9%**しか達成しなかったことからの大きな飛躍です。

将来の展望

この論文は、この「RAINBOW」設計が、有機太陽電池の効率を高める非常に有望で拡張可能な方法であると結論付けています。ただし、彼らは最終的な障壁として 1 つ指摘しています：効率をさらに押し上げるためには、非常に高エネルギー（広帯域ギャップ）の青い光を捕らえるのに非常に優れた材料を見つける必要があります。現在、それらの材料は赤や緑の材料ほど優れていません。

要約すると：太陽電池を積み重ねるのではなく横並びに配置し、赤い光を捕らえる材料に「3 つ目の成分」を混ぜて漏れを修正することで、チームは製造が容易で、太陽からより多くのエネルギーを捕らえる太陽電池設計を作成しました。

技術概要

技術概要：2 接合および 3 接合 RAINBOW 太陽電池における三元ブレンドの可能性の探求

問題提起
有機太陽電池（OPV）は、単接合デバイスにおいて最近 20% を超える効率を達成しましたが、依然として入射太陽光スペクトルと光活性材料のバンドギャップとの間のスペクトル不整合という根本的な制限に直面しています。多接合構造（タンデム）は、熱化および吸収損失を低減することでより高い効率への道を開きますが、垂直積層構成は、電流整合の制約、複雑な相互接続層、スケーラビリティの問題など、重大な製造上の課題に直面しています。「RAINBOW」アーキテクチャは、サブセルを並列に配置し、外部で接続するとともに、光学素子を用いて入射光を横方向に分割することで、この課題に対する解決策を提案します。しかし、RAINBOW デバイスの性能は、特に狭バンドギャップ（NBG、<1.3 eV）および広バンドギャップ（WBG、>1.7 eV）領域において、高効率材料の入手可能性によって現在制約されています。さらに、PTB7-Th:COTIC-4F などの既存の NBG システムは、しばしば低い開放電圧（$V_{oc}$）と非効率的な電荷抽出に悩まされ、赤色サブセルとしての有用性が制限されています。

手法
本研究は、材料スクリーニング、三元ブレンドの最適化、デバイスシミュレーション、およびスケーラブルな製造を組み合わせた多面的なアプローチを採用しています。

1. 材料スクリーニングと三元最適化: 著者らは、1.98 eV から 1.16 eV のバンドギャップをspanする 7 つの二元ドナー - 受容体システムを評価しました。NBG 二元系である PTB7-Th:COTIC-4F の限界を認識し、$V_{oc}$を調整し電荷輸送を改善するために、第 3 成分（2 番目の受容体またはフラーレン誘導体）を組み込んだ三元ブレンドを探索しました。5 つの特定の三元システムが試験され、特に PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 システムに焦点が当てられました。
2. 特性評価: デバイスは、最適な活性層厚を決定するための厚さ勾配を有するハイスループットブレードコーティングを用いて製造されました。包括的な特性評価には、AM1.5G 下での電流 - 電圧（JV）測定、外部量子効率（EQE）プロファイリング、および微細構造と結晶性を分析するためのシンクロトロン源グレイジングインシデンス広角 X 線散乱（GIWAXS）が含まれました。
3. シミュレーション: 2 接合および 3 接合 RAINBOW 構成をモデル化するための半実験的シミュレーションが実施されました。これらのモデルは、実験的な JV パラメータと EQE 曲線を用いて、異なるスペクトル分割波長（$\lambda_{div}$）に対する部分電流と効率を計算しました。
4. 概念実証の製造: モノリシック RAINBOW デバイスは、スケーラブルなメニスカス誘導ブレードコーティングを用いて製造され、単一の基板上に最大 6 つの異なる活性材料を並列に堆積しました。これらのデバイスは、RAINBOW 動作条件を模倣するために、プログラム可能な LED 太陽シミュレータによって生成されたカスタム部分スペクトル下で特性評価されました。
5. 理論的解析: 有機半導体における固有の非放射損失、特に再構成エネルギーを考慮した修正された詳細釣り合い限界が計算され、この幾何学的形状の理論的上限を推定しました。

主要な貢献と結果

• NBG サブセルのための三元ブレンド: 本研究は、三元ブレンドが二元 NBG システムの限界を克服する効果的な戦略であることを実証しています。具体的には、PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 三元ブレンド（1:0.6:0.9 の比率で最適化）は、赤色サブセルの性能を大幅に向上させました。二元の PTB7-Th:COTIC-4F は 0.54 V という低い$V_{oc}$で 6.62% の効率しか達成できませんでしたが、三元ブレンドは 0.60 V に増加した$V_{oc}$で 8.71% の効率に達しました。重要なのは、共有吸収領域におけるより高い EQE 値によって証明されるように、三元ブレンドが 1100 nm までの拡張された NIR 吸収を維持しながら電荷抽出効率を向上させたことです。GIWAXS 解析により、微細構造は COTIC-4F に支配されていましたが、三元システムにおけるエネルギー準位の整列が COTIC-4F から BTP-eC9 へのカスケード型電子移動を促進し、再結合損失を低減することが明らかになりました。
• 多接合構成のシミュレーション: シミュレーションにより、RAINBOW デバイスの最高理論効率は、これらの最適化された三元ブレンドの導入に依存していることが特定されました。
  • 2 接合: 最適な構成（青色セルとして PTQ10:FCC-Cl、赤色セルとして PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 三元ブレンド）は、16.4% のシミュレーション変換効率（PCE）を達成しました。これは、最良の単接合セル（12.9%）および二元ベースの RAINBOW（15.2%）よりも大幅な増加です。
  • 3 接合: 最適な 2 接積層に緑色サブセル（PM6:DTY6）を追加すると、シミュレーション PCE は 17.7% となりました。
• 実験的検証: ブレードコーティングによって製造された概念実証 RAINBOW デバイスがシミュレーションを検証しました。
  • 2 接合デバイスは、二元ベースの同等品（15.1%）と比較して、15.9% の実験的 PCE を達成しました。
  • 3 接合デバイスは、二元ベースの同等品（17.0%）と比較して、17.3% の実験的 PCE を達成しました。
  • これらの結果は、並列堆積法の妥当性と、多接合性能の向上における三元ブレンドの有効性を確認しています。
• 理論的限界: 著者らは、非放射損失を組み込んだ修正された詳細釣り合い限界を OPV に対して提案しています。このモデルは、単接合 OPV の最大理論効率は 1.5 eV のバンドギャップで約 27% であることを示唆しており、標準的なショックレー - クワイッサー限界（33%）よりも低いです。多接合 RAINBOW デバイスについては、このモデルは、改善された電流と充填因子を持つ高効率 WBG 材料（>2 eV）が開発されれば、効率をさらに押し上げられる可能性を示しています。

重要性
本論文は、高効率 OPV に対する垂直積層タンデムの実用的でスケーラブルな代替手段として RAINBOW アーキテクチャを確立しました。三元ブレンドがスペクトルカバレッジを犠牲にすることなく、狭バンドギャップ材料の$V_{oc}$および電荷輸送特性を効果的に調整できることを実証することで、本研究は多接合 OPV 設計における現在のボトルネックを克服するための具体的な道筋を提供しています。スケーラブルなブレードコーティング法を用いて 17.3% に迫る効率を持つ 3 接合デバイスの成功した製造は、産業応用の可能性を浮き彫りにしています。さらに、この研究は、この幾何学的形状における将来の利益が、高性能な広バンドギャップ材料の開発に依存しており、RAINBOW 概念の可能性を完全に実現するために材料研究の焦点を>2 eV 領域へとシフトさせる必要があることを強調しています。