日本东京农工大学的嘉治寿彦副教授和片山美树雅研究员与日本分子科学研究所的平本昌宏教授和中尾聪研究员等人组成的研究团队发现，如果适当地使有机染料结晶，即使厚度增至10μm，也可以在几乎不降低效率的情况下，作为有机薄膜光伏电池的光电转换层使用。这表明，有机染料的厚度即使远远大于原来的设想也能正常用作光电转换元件。今后有望通过应用晶体优点的设计，促进有机薄膜光伏电池和有机发光二极管等有机光电转换元件的研究开发。
研究背景：
在转换光能和电能的光电转换元件中，有机染料作为光电转换层使用的厚度通常仅限于纳米级厚度，因为混合有机染料制作光电转换层时，电阻通常会增大。
研究成果：
此次该研究团队发现，如果让有机染料适当结晶，即使厚度增至10μm，也可以作为有机薄膜光伏电池的光电转换层使用。本次研究中使用的材料是常见的有机染料足球状分子富勒烯（C60）与油漆材料中使用的酞菁的组合，这些材料在过去几十年来一直被作为标准的有机薄膜光伏电池用有机染料进行研究开发。通常情况下，使用这样组合的有机染料的有机光伏电池的厚度一旦超过40～50nm效率就会下降。而此次发现，在混合这些有机染料的同时，使其生长为适当尺寸（直径100nm左右）的晶体（图1），即使厚度增至10μm，效率也几乎没有下降（图2）。另外还证明，在40nm～1μm的广大厚度范围内，有机染料吸收的光和发电的电流会完美地对应增加（图3）。
图1：10μm厚度的光电转换层的截面显微镜图像
图2：不同光电转换层的厚度带来的效率变化比较
图3：吸收的光与发电电流的对应
未来展望：
本次研究实现的10μm的厚度远远超过了吸收大部分可见光的厚度，因此不能直接用于有机薄膜光伏电池和有机发光二极管产品。经确认，尽管通常利用的有机染料厚度为数纳米到数十纳米，如果适当进行结晶，以往不敢想象的10μm厚度也可作为光电转换层正常使用。因此，今后有望通过应用了晶体优点的设计，促进有机光电转换元件的研究开发。
论文信息
论文题目：Ultra-Thick Organic Pigment Layer Up to 10 μm Activated by Crystallization in Organic Photovoltaic Cells
期刊：《Frontiers in Energy Research》
DOI：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2020.00004
文：JST客观日本编辑部编译
