Theoretical Limits of Power Conversion Efficiency for Organic Photovoltaic Cells

Abstract

Organic and inorganic photovoltaic cells can be classified as excitonic solar cells and pn-junction solar cells, respectively. In this article, a fundamental difference in the operational mechanism between them is explained. The detailed balance limit of power conversion efficiency (PCE) was already established for pn-junction solar cells by Shockley and Queisser. Recent attempts to obtain theoretical limits of PCE for excitonic solar cells are reviewed. 1．は じ め に 有機系の太陽電池は，有機物質に特有の軽く，曲げや すく，資源が豊富であるという長所を持つ。従来の太陽 電池では困難であった，曲面への適用や，軽さを活かし た用途等，広範な利用の可能性を持つ次世代の太陽電池 として注目されている。近年，エネルギー変換効率も著 しく向上し，2011 年以降，三菱化学や住友化学等が， 単一素子およびタンデム素子により 10% を超える効率 を上げている 1) 。発電の安定性や有機材料の寿命等，克 服すべき課題もあるが，変換効率はアモルファスシリコ ン太陽電池に匹敵している。本解説では，有機薄膜太陽 電池の変換効率はどこまで向上できるのかという原理的 な問題に焦点を絞ることにする。従来の無機系太陽電池 に対して導かれた理論限界を有機系太陽電池にそのまま 適用するのには，有機系と無機系太陽電池の光電変換の 機構の違いが考慮されていないという問題点がある。有 機系太陽電池の光電変換の機構について解説し，有機系 太陽電池に対する光電変換の理論限界を求める最近の試 みについて紹介する。 太陽光のエネルギー変換効率（光電変換効率）は，電 流密度（単位時間，単位面積を流れる電荷量）と電圧の 積である単位面積当たりの電力を，単位時間，単位面積 当たり入射する太陽光のエネルギーで割った値で特徴付 けられる。光電変換効率と同様に，太陽電池の効率を表 すのに良く使われている指標に，内部量子収率（Inter-nal quantum efficiency, IQE）および外部量子収率（Exter-nal quantum efficiency, EQE）がある。どちらの量子収率 も分子は電流密度で同じであるが分母が異なっている。 IQE では，単位時間に素子に吸収された単位面積当たり の光の量（光子の流れの密度）であるのに対して，EQE では単位時間，単位面積に素子に照射された（透過光， 散乱光も含めた）光の量である。これらの量が高くて も，電圧の損失があると，電流と電圧の積である電力は 低くなってしまう。エネルギーの変換効率を上げるため には，量子収率を上げる一方，電圧の損失を抑える必要 がある。 現在主流の太陽電池は無機系の半導体が用いられてお り，GaAs の薄膜結晶の光電変換効率は，米国国立再生 可能エネルギー研究所による各種太陽電池素子のチャー トによると 28.8% であり後述する理論値である約 33% に，非常に近づいている 1-3) 。 本題の有機系太陽電池の変換効率について述べる前 に，次章では入射する太陽光の性質についてまとめるこ