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塗るだけ!セラミックス超薄膜コーティング ~有機金属分解を用いた塗布工程により有機太陽電池の緩衝層を作成~

 大阪大学は2018年7月21日,同大学産業科学研究所の菅原 徹 助教と金沢大学の辛川 誠 准教授らの研究グループが,「原料を塗るだけでセラミックス超薄膜をコーティングする技術」を開発したと発表した.この薄膜を,有機太陽電池セルの透明電極に塗布して電子・正孔輸送層との間の緩衝層となることを実証したという.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)の「研究拠点形成事業(A.先端拠点形成型)」,文部科学省(MEXT)の「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出 ダイナミック・アライアンス」などの一環として,また公益財団法人「大倉和親記念財団」および「住友財団」からの助成を受けて行われた.詳細は,英国科学誌Scientific Reportsで公開された(注).

 セラミックスには様々な組成・性質のものがあり,エネルギー帯構造は有機半導体から金属に至る様々な物質と同等なものが得られる.このため,セラミックスの酸化亜鉛(ZnO)などは,有機半導体の電子・正孔輸送層と電極との界面のエネルギーを整合させる緩衝層への適用が期待されるようになった.有機半導体デバイスに期待される特徴の一つは,柔軟性や塗布などによる工程簡易化である.このため,酢酸亜鉛などの溶液塗布・低温焼成によるZnO膜作成が試みられているが,通常は300℃程度の加熱を必要とする.そこで,高強度なUVや白色光を照射することにより,電極基板へ金属酸化膜を常温でコーティングする技術が発表されてきた.これに対し,本研究グループは,有機金属分解(MOD, metal organic decomposition)法により,常温常圧で塗布するだけで金属酸化膜をコーティングする技術を開発した.

 まず,ZnAc(Zinc acetate dihydrate [Zn(CH3COO)2・2H2O]),2-メトキシエタノール,エタノールアミンを65℃で一晩,湿気を避けながら溶液が透明になるまで撹拌して前駆体を作る.この溶液のZnAc濃度は100mM/Lだが,エタノール希釈で10~50mM/Lの溶液にして,室温でITO(Indium Tin Oxide)透明電極基板にスピンコートする.不活性ガス中で乾燥した後,p型有機半導体(PTB7:PC71BM)をスピンコートし,有機半導体pn接合等を重ねて太陽電池を作った.塗布膜の厚さは,60nm(100mM/L)から<5nm(10mM/L)まで溶液濃度とともに小さくなった.比較のため,100mM/Lの溶液を塗布し,300℃に加熱すると35nmであった.

 太陽電池の特性は,溶液濃度50mM/L以下において,加熱したものと同等で,20mM/Lの時に7.4%のエネルギー変換効率を示し,電流電圧特性は加熱したものより優れていた.X線光電子分光(XPS),紫外線分光測定からZnOHxのHとOHの結合状態が検出され,アモルファス亜鉛水酸化物[a-ZnOHx]膜が出来ていることが分った.

 本研究により,有機半導体デバイスに適用可能なセラミックス薄膜の常温塗布作成が可能になった.加熱プロセスの製造工程が省略でき,製造工程の簡素化は製造コストを削減し,次世代エレクトロニクスデバイスの社会実装に貢献するものと期待している.

(注)Makoto Karakawa, Tohru Sugahara, Yukiko Hirose, Katsuaki Suganuma and Yoshio Aso, "Thin Film of Amorphous Zinc Hydroxide Semiconductor for Optical Devices with an Energy-Efficient Beneficial Coating by Metal Organic Decomposition Process", Scientific Reports, Vol. 8, Article number: 10839 (2018), DOI: 10.1038/s41598-018-27953-6; Published 20 July 2018.