発電もできる有機EL素子、千葉大学らが開発：発光と発電効率のトレードオフ克服

千葉大学やNHK放送技術研究所、京都大学らの共同研究チームは、1つの素子で「太陽光発電」と「発光」という2つの機能を備えた「発電できる有機EL素子」を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

MR-TADF材料を用い、素子内部のエネルギーを精密に制御

　千葉大学先進科学センターの深川弘彦特任教授とNHK放送技術研究所、京都大学大学院理学研究科の畠山琢次教授らによる共同研究チームは2026年1月、1つの素子で「太陽光発電」と「発光」という2つの機能を備えた「発電できる有機EL素子」を開発したと発表した。

　有機半導体は、「有機EL（OLED）素子」としてスマートフォンなどに搭載されている。また、「有機薄膜太陽電池（OPV）」などの開発も進む。これら2つの機能を1つの素子に統合すれば、新たな用途の拡大につながるものの、現行技術では効率が低下するなど課題もあった。

　研究チームは今回、高い発光効率と強い光吸収特性を兼ね備えた「MR-TADF材料」を用いて、新たな多機能素子の開発に取り組んだ。実験では、MR-TADF材料と電子受容材料（アクセプター）の界面における電荷や励起子の挙動を精密に制御した。これによって、EL発光の外部量子効率（EQE_EL）と電力変換効率（PCE_PV）のトレードオフを解決した。

　具体的には、MR-TADF材料を用いることで、電荷移動（CT）励起子の励起子束縛エネルギー（E_b）が0.01〜0.4eVとなった。この値は従来の有機材料系に比べて小さい。E_bが小さい素子は発電時の電圧損失を極小化できるという。

左はMR-TADF材料の例と多機能素子の模式図、右は多機能素子における発光効率と発電効率の関係 ［クリックで拡大］出所：千葉大学

　E_bの大きさは、発光色にも関連している。例えば、E_bが大きい分子を組み合わせると長波長発光（黄色）が得られる。E_bが小さい分子を組み合わせると、短波長発光（青色）が得られる。こうした特性を利用してE_bを精密に制御すれば、全可視光領域で発光しフルカラー動作が可能となる。

　試作した素子を評価したところ、緑色と橙色の発光発電素子では8.5％超のEQE_ELと、約0.5％のPCE_PVを同時に達成した。青色発光素子でも、約2％のEQE_ELと、1％超のPCE_PVを実現した。

アクセプター分子の種類による素子特性の変化［クリックで拡大］ 出所：千葉大学