千葉大学先進科学センターの深川弘彦 特任教授、NHK放送技術研究所、京都大学らの共同研究チームは、有機薄膜太陽電池(OPV)において、光で生じた励起子から自由電荷を生成しつつ電圧損失を抑えるためのエネルギー条件を体系化しました。研究成果は2026年10月7日に国際学術誌Advanced Materialsに掲載されました。

研究チームは、ドナーとアクセプターの組み合わせが異なる約40種の素子を作製し、固体状態のエネルギー準位を直接測定して解析を行いました。その結果、実測したエネルギー準位から光電流を生み出す条件と電圧損失を抑える条件を同じ枠組みで設計する指針が得られたとしています。

光電流を維持する熱力学的境界を可視化

有機薄膜太陽電池(OPV)では、光を吸収して生じた励起子がドナー／アクセプター界面で電荷移動(CT)状態を経て、電子と正孔が分離した自由電荷となることで電流が生じます。従来は励起子からCT状態へ移るエネルギー差が重視されてきたものの、必要な大きさは材料系によって議論が分かれており、エネルギー差を大きくすると電圧損失が増える懸念がありました。

今回の研究では、エネルギー差をどこまで小さくしても光電流を維持できるかについて、エネルギー準位から見積もった自由電荷状態のエネルギー（E_cs）を基準に整理しました。ドナーの光学ギャップ（E_gᵒᵖᵗ）とE_csの差が0 eV付近、すなわち両者がほぼ一致する条件が、光電流を維持できる実用的な熱力学的境界になることを示しています。

光電流と電圧のトレードオフを同一の枠組みで整理

エネルギー差を大きくすると光電流は得やすくなる一方で電圧を失うという関係性があります。本研究では、境界付近において光電流を維持しながら電圧損失を小さくできることを示しました。実測エネルギー準位に基づき、光電流と電圧のトレードオフを1つの枠組みで整理しています。

剛直な分子骨格による低損失化の確認と今後の展望

分子骨格が剛直なドナーを用いたOPVでは、CT状態の緩和や広がりが抑えられ、実効CT束縛エネルギー（E_bᶜᵗ˒ᵉᶠᶠ）が0.1 eV以下となる組み合わせが複数確認されました。この値は金属ハライドペロブスカイトで報告される値に迫る水準であり、熱力学的境界の付近でも高い光電流と高い開放電圧を両立しやすいことが明らかになりました。

研究チームは今回の成果について、特定の材料での高効率化にとどまらず、光電流を保ちながら電圧損失を抑えるためのエネルギーの設計指針を示した点に意義があるとしています。今後は実用的な混合型OPVなどへ展開して一般性を検証し、将来的な社会実装につながる材料開発の効率化を目指す方針です。

発表論文の概要

• タイトル：A Unified Thermodynamic Framework for Photocurrent Generation and Voltage Losses in Organic Photovoltaics
• 著者：Hirohiko Fukagawa, Taku Oono, Yusuke Aoki, Tsubasa Sasaki, Haruto Shoji, Manato Tateno, Seita Kyogoku, Shintaro Mitsui, Hisao Ishii, Feiran Liu, Takuji Hatakeyama, and Takahisa Shimizu
• 雑誌名：Advanced Materials
• DOI：10.1002/adma.75304

本研究は、科学技術振興機構（JST）CREST（JPMJCR22B3）、日本学術振興会（JSPS）科研費（24K23071）、JKA競輪補助事業（2025M-340）の支援を受けて実施されました。

本記事は千葉大学、NHK放送技術研究所、京都大学などの発表をもとに作成しました。

Dellows News編集部

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