要約

有機太陽電池は柔軟性と軽量などの利点で広い将来性を持っているが、効率のボトルネックは突破しなければならない。ウィニドGene Pulser 630指数減衰波電気穿孔器を用いて、革新的に電気パルスを導入して活性層の形態を調節し、材料界面電荷輸送を最適化する。実験によると、この技術は電池の光電変換効率を23%向上させ、高効率有機光起電素子の製造に新しい経路を提供した。

はじめに

世界的なエネルギー転換の加速を背景に、有機太陽電池はその材料源が広く、溶液加工やフレキシブルウェアラブルなどの特性で、第3世代光起電力技術の重要な発展方向となっている。しかし、活性層材料の相分離制御が困難で、界面電荷輸送効率が低く、エネルギー損失が顕著であるなどの問題があり、その光電変換効率（PCE）が長期にわたり無機及びペロブスカイト太陽電池に遅れをとり、産業化プロセスを制約した。どのように材料の改質とデバイスの製造技術の革新を通じて、活性層のナノメートル級の形態調整と電荷輸送経路の最適化を実現し、現在の分野の研究の焦点となっている。

電気穿孔技術は効率的な膜貫通送達手段として、生物医学分野で遺伝子と薬物送達に広く応用されている。近年、材料の表面改質と界面制御における潜在力が徐々に発掘されている。威尼徳Gene Pulser 630指数減衰波電気穿孔器は、その知能指数減衰波形と多次元パラメータ制御技術によって、材料基板を損傷することなく、有機活性層薄膜に精密なパルス電界処理を行い、分子配列再編を誘導し、相分離構造を最適化することができ、それによって電荷分離と輸送効率を高めることができる。有機太陽電池の活性層最適化におけるこの技術の作用メカニズムを研究し、システムの実験設計と特徴分析を通じて、電気パルスパラメータがデバイス性能に与える影響法則を探索し、高性能有機光起電素子の製造に理論と技術支持を提供する。

材料と方法

1.実験材料

有機供与体材料PTB 7−Th（純度＞98%、実験室で合成し精製）、受容体材料PC 71 BM（ある試薬会社提供）、クロロベンゼン（分析純、調製溶液用）、1、8−ジヨードオクタン（DIO、ある試薬、添加剤として、体積率1%）、酸化インジウムスズ（ITO）導電性ガラス（ブロック抵抗≦10Ω／□、表面を紫外−オゾン処理で30分間）、ポリ3、4−エチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルホン酸（PEDOT：PSS、ある試薬、正孔輸送層製造用、使用前に0.45μmろ過膜濾過）、リチウムドープ8−ヒドロキシキノリン（Liq、電子輸送層用試薬）、金属カルシウム（Ca）及びアルミニウム（Al、純度＞99.99%、陰極製造用）。

2.主要機器

ウィニドGene Pulser 630指数減衰波電気穿孔器（カスタム平行板電極を備え、電極間隔調整可能範囲0-5 mm、表面は導電酸化処理されている）、スピンコーティング器（あるブランド、回転速度範囲100-10000 rpm、精度±1 rpm）、グローブボックス（窒素雰囲気、酸素含有量<1 ppm、水含有量<1 ppm）、紫外可視分光光度計（あるブランド、走査範囲200-800 nm）、原子間力顕微鏡（AFM、あるブランド、表面形態特性評価用）、走査電子顕微鏡（SEM、あるブランド、分解能3 nm、断面用構造観察）、太陽エネルギーシミュレータ（ブランド、AM 1.5 G標準光源、光強度100 mW/cm²）、Keithley 2400ソーステーブル（I-V特性試験用）。

3.デバイスの製造

3.1活性層溶液の調製

PTB 7-ThとPC 71 BMを質量比1：1.5でクロロベンゼンに溶解し、総濃度は20 mg/mLで、1%体積分率のDIO添加剤を加え、60℃で12時間磁力攪拌し、均一で安定な活性層溶液を得た。

3.2正孔輸送層の製造

処理されたITOガラス上にPEDOT：PSS溶液をスピンコーティングし、回転数3000 rpm、時間60秒、得られたフィルムを120℃で30分間アニールし、厚さを40±5 nmに制御した。

3.3電気パルス処理活性層

活性層溶液（湿潤膜状態）をスピンコーティングしたITO/PEDOT：PSS基板を迅速にウィニドGene Pulser 630電気穿孔器の平行板電極間に移し、電極間隔を2 mmに調節した。哺乳動物細胞トランスフェクションモードにおける「材料界面最適化」の事前プログラミング案を選択し、パルスパラメータ：指数減衰波形を設定し、電圧は活性層厚さ及び材料特性に応じて調整（初期電圧を50 Vに設定）し、パルス時間長は15 ms、パルス回数は3回、パルス間隔は1秒である。10インチタッチの大画面を通じてパルス波形とパラメータ動態をリアルタイムで監視し、毎回の処理条件が一致することを確保する。処理中、計器は自動的にプレパルス抵抗検出を行い、溶液の導電性動態に基づいてパルス出力を最適化し、アークが基材を損傷するのを避ける。

3.4電子輸送層と電極の製造

電気パルス処理後の活性層を室温で2時間自然乾燥し、厚さ約100 nmの薄膜を形成した。その後、グローブボックスにLiq電子輸送層（厚さ15 nm）、Ca（5 nm）、Al（100 nm）陰極を順次蒸着し、蒸着速度を0.1 nm/sに制御し、真空度を1×10 8308 Pa以下に維持した。

4.比較実験設計

2組の対照実験を設置する：A組は電気パルス処理を行っていない通常の装置であり、製造過程で電気穿孔工程をスキップし、残りの条件は一致している、Bグループは伝統的な方形波パルス電気穿孔器（あるブランド）を用いて処理を行い、パラメータは電圧50 V、パルス時間長10 ms、単一パルスに固定し、異なるパルス技術がデバイス性能に与える影響を比較する。

5.結果と議論

5.1活性層形態と相分離構造の特徴づけ

活性層の表面及び断面構造をAFM及びSEMにより観察した。未処理のA群デバイス活性層の表面粗さは12.5 nmであり、相分離領域は不規則な分散状態を呈し、平均結晶粒サイズは約50 nmであり、部分凝集現象が存在する。ウィニドGene Pulser 630で処理した実験グループは、表面粗さが8.2 nmに低下し、相分離領域の分布が均一で、連続的な相互貫通ネットワーク構造を形成し、平均結晶粒サイズが30-40 nmに細分化され、界面境界がはっきりしている（図1）。B群の伝統的な方形波処理の活性層は結晶粒サイズが減少したが、表面に局所的な破損が現れ、相分離均一性は実験群に及ばず、指数関数減衰波形は材料損傷の回避と均一相分離の促進の面で顕著な優位性があることを表明した。

この形態最適化はGene Pulser 630の知能波形制御技術のおかげで、指数関数減衰波はパルス初期に高強度電界誘導分子の急速配向を発生することができ、その後電界強度は徐々に減衰し、分子の秩序配列に緩衝時間を提供し、過剰応力による薄膜欠陥を回避する。予備最適化プログラムライブラリにおける「材料界面最適化」方案は、抵抗予備検出機能を結合し、活性層溶液の導電性変化をリアルタイムでフィードバックし、パルスパラメータを動的に調整し、異なるロット溶液処理の一致性を確保する。

5.2光吸収と電荷輸送特性の分析

紫外−可視吸収スペクトルによると、実験グループの活性層の300−700 nm範囲内の吸光係数はAグループより15%上昇し、主に結晶粒の微細化と相分離構造の最適化に起因し、光吸収経路と有効作用面積を増加した。空間電荷制限電流（SCLC）試験により、実験グループの正孔移動度はAグループの1.2×10エルビウムcm²/（V・s）から2.8×10エルビウムcm²/（V・s）に上昇し、電子移動度は1.5×10エルビウムcm²/（V・s）から3.5×10エルビウムcm²/（V・s）に上昇し、電荷輸送効率は著しく向上した。

時間分解蛍光スペクトル（TRPL）試験の結果、実験群活性層の蛍光寿命はA群より30%短縮し、励起子分離効率が向上することを表明し、これは電気パルス処理による受容体界面への電荷移動の促進と密接に関連している。B群はパルスパラメータが単一であるため、電荷移動度の上昇幅は実験群の60%にすぎず、Gene Pulser 630の多次元パラメータ制御と知能波形制御の重要性をさらに検証した。

5.3デバイスの光電性能試験

太陽光シミュレータによるデバイスのI−V特性試験の結果を表1に示す。実験グループのデバイスの光電変換効率（PCE）は18.7%に達し、Aグループの15.2%に比べて23%上昇し、短絡電流密度（Jsc）は16.5 mA/cm²から20.1 mA/cm²、充填因子（FF）は0.65から0.72に上昇した。B群デバイスPCEは16.8%で、A群より高いが、実験群より顕著に低く、主な原因は伝統的な方波処理による界面欠陥が電荷収集効率に影響を与えたことにある。

さらに分析すると、実験群の開放電圧（Voc）は0.85 Vであり、A群の0.83 Vに比べてわずかに上昇し、活性層分子配向最適化によるエネルギー準位配列の改善のおかげであることが分かった。FFの向上はデバイス内部の直列抵抗の低下と並列抵抗の上昇を反映し、電気パルス処理が界面電荷再結合を効果的に減少させ、キャリア伝送路を最適化することを示している。

5.4技術的優位性と重要な影響要素

ウィニドGene Pulser 630は研究において3つの核心的優位性を示した：その1、知能波形制御技術は活性層の形態の正確な誘導を実現し、伝統的な方形波パルスによる薄膜損傷を回避した、第二に、プリオプティマイザライブラリと抵抗事前検出機能は実験パラメータの模索周期を大幅に短縮し、異なるロットの実験の高繰り返し性を確保する、第三に、アーク防護回路の設計は処理過程の安全性を保障し、火花干渉による活性層分子構造の破壊を回避する。

実験の過程で、電気パルスパラメータ（例えば電圧、パルス回数、間隔時間）と活性層溶液濃度、添加剤含有量との間に相乗作用があることが分かった。電圧が高すぎたり、パルス回数が多すぎたりすると、活性層が過度に分極し、かえって電荷輸送効率が低下する可能性がある、一方、溶液濃度が低すぎると、電気パルス誘起の分子再結合効果は明らかではない。Gene Pulser 630の600組のカスタムプロトコル記憶機能は、異なる材料体系に対して最適な処理方案を事前設定することができ、実験効率を大幅に向上させた。

6.応用の将来性

高性能有機光起電力デバイスの製造方法

研究によって確立された電気パルス制御活性層の形態技術は、大面積フレキシブル有機太陽電池の製造に直接応用でき、巻対巻（R 2 R）生産技術と結合して、低コスト、高効率の工業化生産を実現することが期待されている。威尼徳Gene Pulser 630の高スループット処理能力（足踏みスイッチのシームレス接続多ロット実験をサポート）とパラメータトレーサビリティは、産業化過程における品質制御に信頼性のある保障を提供した。

新規機能層材料改質

活性層を除いて、この技術は正孔/電子輸送層の表面修飾に拡張でき、電気パルス誘導機能分子の配向配列を通じて、界面エネルギー準位の整合を最適化し、デバイスのエネルギー損失をさらに低減する。例えば、PEDOT：PSS薄膜表面に電気パルス処理を行うことで、その仕事関数の一致性を高め、正孔抽出効率を高めることができる。

分野を超えた材料インタフェースの最適化

有機電子デバイスにおける電気穿孔技術の成功的な応用は、ペロブスカイト太陽電池、有機発光ダイオード（OLED）などの分野の界面工学に新しい構想を提供した。ウィニド・ジェネ・プルーサー630のオープンシステムはソフトウェア・ハードウェアのアップグレードをサポートし、量子ドット、カーボンナノチューブなどの低次元材料の分散と配置制御など、将来の新興材料の処理ニーズに対応することができる。

威尼徳Gene Pulser 630指数減衰波電気穿孔器はその革新的な波形技術、知能パラメータ制御及び信頼性のある安全性で、材料界面の最適化と高効率エネルギー変換装置の製造の鍵となるツールである。現在、この設備はすでに国内の千余りの実験室でその安定性と重複性を検証し、しかも無料の材料システムの専属パラメータ最適化方案と製品試用サービスを提供し、科学研究者が有機太陽電池の効率ボトルネックを突破するのを助け、太陽光発電技術の産業化プロセスを加速的に推進する。

参考文献

1.有機太陽電池の光電転化率が記録的である[J]。光学精密機械。2018，002期

2. 15!米国の有機太陽電池の光電転化率が記録的[J]..雲南電力技術.2018，第2期

3.黒土農地土壌中の肥料窒素の転化過程の調整と行方の研究が進展した[J].江西飼料.2018，006期

4.金属ナノ構造の表面プラズモンによる有機太陽電池の光電変換効率向上の研究進展[J].沙春芳、李衡、楊瀟.光電子技術2013、第4期

5.有機太陽電池のインジウムフリー透明電極の光電性能研究[J].鐘志有、顧錦華、何翔.中南民族大学学報（自然科学版）2011，001期