洗濯可能な薄型有機太陽電池、理研らが開発：衣服に貼って利用できる

洗濯が可能な超薄型有機太陽電池を理化学研究所（理研）の福田憲二郎研究員らが開発した。伸縮性と耐水性にも優れており、衣服貼り付け型電源として利用することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高い変換効率に加え、優れた伸縮性や耐水性も併せ持つ

　理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター（CEMS）創発ソフトシステム研究チームの福田憲二郎研究員と染谷隆夫チームリーダー（染谷薄膜素子研究室主任研究員、東京大学大学院工学系研究科教授）らの共同研究グループは2017年9月、洗濯が可能な超薄型有機太陽電池を開発したと発表した。伸縮性と耐水性を併せ持つことから、衣服に貼り付ける電源としての応用が期待される。

　ウェアラブルセンサーなどを駆動するための電源として、衣服貼り付け型太陽電池が注目されている。これを実現、実用化するためには、エネルギー変換効率や環境安定性、機械的柔軟性などについて、一定の条件をクリアする必要がある。

　共同研究グループは今回、高いエネルギー変換効率と優れた伸縮性、耐水性を同時に実現した有機太陽電池を作製した。理研の研究グループが2012年に開発した有機半導体ポリマー「PNTz4T」を用い、厚みが1μmの高分子材料であるパリレン基板上へ、逆型構造の有機太陽電池を作りこんだ。

衣服上に貼り付けた超薄型有機太陽電池を洗濯している様子 出典：理研他

　作製した超薄型有機太陽電池は、ガラス支持基板から剥がした状態で、高いエネルギー変換効率を示した。例えば、出力が100mW/cm²の擬似太陽光を照射したときの短絡電流密度（J_sc）は16.2mA/cm²で、解放電圧（V_oc）は0.71V、フィルファクターは69％、エネルギー変換効率は7.9％となった。この数値は、従来の同様な有機太陽電池の効率（4.2％）に比べると、2倍近い改善になるという。作製した有機太陽電池を約50％までつぶしても、安定的に駆動することも確認している。

超薄型有機太陽電池の電流−電圧特性 出典：理研他

　作製した有機太陽電池は、極めて高い耐水性を示すことも分かった。水中に5分間浸した後でも、エネルギー変換効率はほとんど低下しなかった。黒水性ペンでデバイス表面に染みを付けても、デバイスを洗剤液に浸してかき回せば、デバイス表面の汚れが取り除かれ、素子性能の低下もなくエネルギー変換効率は初期値に回復したという。

超薄型有機太陽電池の洗濯試験とその結果 出典：理研他

　さらに、あらかじめ引張した2枚のゴムで、厚みが3μmの有機太陽電池を双方向から挟み込んだ。これにより、伸縮性を保持しつつ耐水性も飛躍的に向上させる封止を実現した。実験結果から、水中に120分間漬けた後でもエネルギー変換効率は約5％の低下にとどまった。これに対して、ゴム封止されていないデバイスは、変換効率が約20％低下したという。水滴をデバイス上に滴下し一定時間保持しながら約50％の伸縮を繰り返し行った後でも、エネルギー変換効率は初期値の80％を維持していることが分かった。

高い耐水性を実現した伸縮性有機太陽電池の構造 出典：理研他

水中への浸漬時間によるエネルギー変換効率の変化を示したグラフ 出典：理研他

　今回の研究成果について、ウェアラブル機器やe−テキスタイルなどに向けた電源として、早期実用化と用途拡大が期待されている。