有機光起電力デバイス（OPV）は、ポリマーや低分子化合物などの有機半導体の薄膜から製造され、一般に100nmのオーダーである。 ポリマーベースのOPVは、スピンコーティングまたはインクジェット印刷のようなコーティングプロセスを使用して製造することができるため、安価に大面積ならびに柔軟なプラスチック表面を覆う魅力的な選択肢である。 結晶シリコンで作られた従来の太陽電池に代わる有望な低コストの代替物である、産業界や学界全体でOPVの開発と電力変換効率の向上に向けて大量の研究が行われています。
光収穫媒体としての単層カーボンナノチューブ
単層カーボンナノチューブは、太陽光スペクトル、赤外線から紫外線への強い光吸収、および高いキャリア移動度およびキャリア搬送散乱の低減に適合する広い範囲の直接バンドギャップを有し、これが理想的な光起電力材料となる。 理想的な単層カーボンナノチューブ（SWNT）ダイオードで光起電力効果を達成することができる。 個々のSWNTは、理想的なpn接合ダイオードを形成することができる。 理想的な挙動は、すべての電子材料開発において非常に求められる目標であるダイオードの理論的な性能限界です。 照明下では、SWNTダイオードは、理想ダイオードの特性が向上しているため、大きな電力変換効率を示します。
最近、SWNTは、薄膜太陽電池を製造するためのエネルギー変換材料として直接構成され、ナノチューブは光生成部位および電荷キャリア収集/輸送層の両方として機能する。 太陽電池は、ナノチューブとn-Siとの間に高密度のp-nヘテロ接合を形成して電荷分離を促進し、電子（n-Siを介して）およびホールを抽出するために、n型結晶シリコン基板上にコンフォーマルにコーティングされたナノチューブの半透明薄膜からなるナノチューブを通して）。 初期の試験は、> 1％の電力変換効率を示し、CNTs-on-Siが太陽電池を製造するための潜在的に適切な構成であることを証明している。 初めてZhongrui Liは、SWNTのSOCl2処理により、SWNT / n-Siヘテロ接合太陽電池の電力変換効率を60％以上向上させることを実証しました。 後の酸ドーピングアプローチは、後に公開されたCNT / Siの研究で広く採用されている。 酸性液体がナノチューブネットワークの空隙空間内に保持されれば、より高い効率を達成することができる。 ナノチューブネットワークの酸浸透は、Yi Jiaによって報告されているように、セル効率を13.8％まで大幅に向上させ、フィルファクタを改善する内部抵抗を減少させ、電荷分離および輸送を向上させる光電気化学ユニットを形成する。 湿潤酸誘発問題は、整列したCNTフィルムを使用することによって回避することができる。 整列したCNTフィルムでは、輸送距離が短縮され、励起子消光率も低下する。 さらに、整列されたナノチューブフィルムは、空隙が非常に小さく、基板との接触が良好である。 そのため、アライメントされた単層カーボンナノチューブフィルムを用いた強酸のドーピングは、電力変換効率をさらに向上させることができる（Yeonwoong Jungによって11％を超える記録変換効率を達成した）。
Zhongrui Liはまた、ポリエチレンイミン官能化を介してp型からn型にSWNTを調整することにより、最初のn-SWNT / p-Si光起電力デバイスを作製した。
光活性層中のカーボンナノチューブ複合材料
カーボンナノチューブ（CNT）の管軸に沿った高い導電率を有する共役ポリマーの物理的および化学的特性を組み合わせることにより、より効率的なOPVデバイスを得るために、CNTを光活性層に分散させる大きなインセンティブがもたらされる。 これらのデバイスにおける相互侵入バルクドナー – アクセプターヘテロ接合は、バイコンティニュアスネットワークの存在のために電荷分離および収集を達成することができる。 このネットワークに沿って、電子および正孔は、電子受容体およびポリマー正孔供与体を介してそれぞれの接触に向かって移動することができる。 光起電力効率の向上は、ポリマーマトリックス内に内部ポリマー/ナノチューブ接合部を導入することに起因すると提案されている。 これらの接合部の高電界は励起子を分裂させることができ、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は電子の経路として作用することができる。
電子供与共役ポリマーの溶液中でのCNTの分散は、おそらく、CNT材料をOPVに導入する最も一般的な戦略である。 一般に、ポリ（3-ヘキシルチオフェン）（P3HT）またはポリ（3-オクチルチオフェン）（P3OT）がこの目的のために使用される。 次いで、これらのブレンドを、60〜120nmの厚さの透明導電性電極上にスピンコートする。 これらの導電性電極は、通常、インジウム錫酸化物（ITO）で覆われたガラスであり、40nmのポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）およびポリ（スチレンスルホネート）（PSS）のサブ層である。 PEDOTとPSSは、ITO表面を平滑化し、シャント経路に沿って生じるピンホールの密度を減少させ、電流リークを抑制します。 熱蒸着またはスパッタリングコーティングにより、厚さ20〜70nmのアルミニウム層および時にはフッ化リチウムの中間層が光活性材料上に塗布される。 光活性材料に組み込まれた多層カーボンナノチューブ（MWCNT）および単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の両方を用いた複数の研究調査が完了した。
SWCNTをP3OTマトリックスに加えることから光電流には2桁以上の増強が観察されている。 改善は、ポリマー-SWCNT接続における電荷分離と、SWCNTを介したより効率的な電子輸送によるものと推測された。 しかしながら、1.0mWの低CNT濃度で不完全な励起子解離を示唆する、100mW / cm 2の白色照明下での0.04％のやや低い出力変換効率が、このデバイスについて観察された。 SWCNTの長さは光起電力膜の厚さと同様であったため、より高い割合のSWCNTをポリマーマトリックスにドープすることは、短絡を引き起こすと考えられていた。 別の解離サイトを供給するために、他の研究者が機能化MWCNTをP3HTポリマーに物理的にブレンドして、フラーレンC60二重層デバイスを有するP3HT-MWCNTを作製した。 しかしながら、電力効率は、100mW / cm 2の白色照明下で0.01％で依然として比較的低かった。 二重層構造におけるドナー – アクセプター界面への弱い励起子拡散が、フラーレンC60層に加えて、おそらくは電子輸送が不十分である原因となった可能性がある。
最近では、C60改質SWCNTおよびP3HTからのポリマー光起電装置が製造されている。 SWCNT水溶液とC60溶液との混合物をトルエン中で照射するマイクロ波は、これらのポリマー-SWCNT複合材料の製造の第一歩であった。 次いで、共役ポリマーP3HTを添加して、模擬太陽照射（95mW / cm 2）下で0.57％の電力変換効率を得た。 改善された短絡電流密度は、SWCNTのネットワークを介したより速い電子輸送を引き起こす複合体へのSWCNTの添加の直接的な結果であると結論付けられた。 また、形態変化が改善された充填率をもたらしたと結論付けられた。 全体的に、主な結果は、SWCNTのない細胞と比較して、SWCNTの添加による電力変換効率の改善であった。 しかし、さらなる最適化が可能であると考えられた。
さらに、構築後にP3HTまたはP3OTのいずれかのガラス転移温度を超える点まで加熱することは、ブレンドの相分離を操作するために有益であり得ることが分かった。 この加熱はポリマーが微晶質系であり、OPV装置全体の電荷移動、電荷輸送および電荷収集を改善するので、ポリマー鎖の秩序化にも影響を及ぼす。 ポリマー-CNTデバイスの正孔移動度および電力効率も、この順序付けの結果として著しく増加した。
堆積のための別の有益なアプローチとして出現するテトラヒドロフラン中の臭化テトラオクチルアンモニウムの使用は、SWCNTを電気泳動場に曝すことによって懸濁を助けるための調査対象でもある。 実際に、SWCNTを光捕獲カドミウム硫化物（CdS）量子ドットおよびポルフィリンと組み合わせて堆積させると、1.5％および1.3％の光変換効率が達成された。
これまでに達成された最良の電力変換のうち、ITOとPEDOT：PSSの間またはPEDOT：PSSと光活性混合物との間にSWCNT層を修飾ITO / PEDOT：PSS / P3HT内に堆積することによってCNTを得た。 ） – フェニル-C61-酪酸メチルエステル（PCBM）/ Al太陽電池。 親水性懸濁液からのディップコーティングにより、表面をアルゴンプラズマに最初に暴露した後にSWCNTを堆積させて、CNTなしの4％と比較して4.9％の電力変換効率を達成した。
しかし、CNTが光活性層に電位を示しているにもかかわらず、最良のタンデム有機細胞（6.5％効率）よりも大きな電力変換効率を有する太陽電池は得られていない。 しかし、電子供与性共役ポリマーと電子受容性CNTの均一なブレンドの制御は、CNTベースの効率的な光電流収集を作成する上で最も困難で重要な側面の1つであることが、以前の調査の大部分において示されているOPVデバイス。 したがって、OPVデバイスの光活性層にCNTを使用することはまだ初期の研究段階にあり、CNTの有益な特性をより良く利用するための新規な方法の余地がまだ残っている。
PVデバイスの光活性層にSWCNTを利用する際の1つの問題は、合成された時の混合純度（約1/3の金属および2/3の半導体）である。 金属SWCNT（m-SWCNT）は、電子と正孔の対の間で励起子再結合を起こし、金属と半導体のSWCNT（s-SWCNT）との間の接合は、正孔の透過確率を低下させるショットキー障壁を形成する。 合成されたCNTの電子構造の不一致は、半導体性能を最適化するためにm-SWCNTを分離して除去するための電子ソーティングを必要とする。 これは、CNTを直径、キラリティ、および電子タイプによって分離することができる界面活性剤の勾配を含む密度勾配超遠心分離（DGU）プロセスによるCNTの直径および電子選別によって達成することができる。 この選別方法は、m-SWCNTの分離と、固有の波長の光を吸収することができる各キラリティのs-SWCNTの複数のキラリティの正確な収集を可能にする。 s-SWCNTの複数のキラリティは、PV活性層のヘテロ接合を作製するために、フラーレン成分PC71BMと共に正孔輸送材料として使用される。 ポリキラルs-SWCNTは、可視から近赤外（NIR）光まで広範囲の光吸収を可能にし、単一のキラリティナノチューブを使用する場合に比べて光電流を増加させる。 光吸収を最大にするために、倒置したデバイス構造を、活性長さを最小にするために活性層を貫通する酸化亜鉛ナノワイヤ層と共に用いた。 酸化モリブデン（MoOx）は、仕事関数の高い正孔輸送層として電圧を最大にするために利用された。
このアーキテクチャで製造されたセルは、活性層においてCNTを利用する他の太陽電池材料よりも3.1％高い記録出力変換効率を達成しています。 この設計はまた、PCEが30日の期間にわたって約90％のままである、非常に優れた安定性を有する。 炭素ナノ材料の例外的な化学的安定性は、劣化を低減するためにカプセル化されなければならない大部分の有機光起電力に比べて優れた環境安定性を可能にする。
約10％のPCEを有するポリマー – フラーレンヘテロ接合太陽電池の最良のものと比較して、ポリキラルナノチューブおよびフラーレン太陽電池はまだまだ離れている。 それにもかかわらず、これらの発見は、太陽電池におけるCNT技術の達成可能な限界を押し進めている。 ポリキラルナノチューブがNIR領域で吸収する能力は、将来の非結晶性太陽電池の寿命および耐久性の増加に伴うマルチ接合タンデム太陽電池の将来の効率を改善するために利用できる技術である。
透明電極としてのカーボンナノチューブ
ITOは現在、OPVデバイスの透明電極に使用される最も一般的な材料である。 しかし、それには多くの欠点があります。 1つは、約600℃の高い堆積温度のため、ポリマー基板とあまり適合しない。 伝統的なITOはまた、比較的脆いなどの好ましくない機械的特性を有する。 さらに、高価な真空中での層堆積とインジウムの限られた供給との組み合わせは、高品質のITO透明電極を非常に高価にする。 したがって、ITOの代替品の開発と商品化は、OPVの研究開発の主要な焦点です。
導電性CNTコーティングは、最近、スプレー、スピンコーティング、キャスティング、層ごとの積層、およびラングミュア – ブロジェットの堆積を含む広範な方法に基づく将来の代替物となっている。 フィルタ膜から溶媒を用いた透明支持体への転写または接着フィルムの形態は、柔軟で光学的に透明なCNTフィルムを得るための別の方法である。 他の研究努力は、アーク放電CNTから作られたフィルムが高い導電率および透明性をもたらすことができることを示している。 さらに、SWCNTネットワークの仕事関数は、4.8eVから4.9eVの範囲（4.7eVより低い仕事関数を有するITOと比較して）であり、SWCNT仕事関数が効率的なホール収集を保証するのに十分高くなければならないと予想する。 別の利点は、SWCNTフィルムが、UV可視域から近赤外域までの広いスペクトル範囲において高い光透過性を示すことである。 スペクトルの可視部分だけでなく許容可能な全体的な導電率を維持しながら、赤外スペクトルにおける合理的な透明性を保持する材料はほんのわずかです。 SWCNT膜は非常に可撓性があり、クリープを起こさず、曲げ後にひび割れがなく、理論的には熱伝導率が高く放熱に耐え、高い耐放射線性を有する。 しかしながら、ITOの電気シート抵抗は、SWCNTフィルムについて測定されたシート抵抗よりも1桁小さい。 それにもかかわらず、最初の研究は、SWCNT薄膜が、ITOを用いて製造されたデバイスに匹敵することを確認して、1％〜2.5％の効率を有するOPVデバイスのホール収集のための導電性透明電極として使用できることを示している。 したがって、従来のITO材料の性能を超えるCNTベースの透明電極を開発するためにこの研究を進める可能性が存在する。
色素増感型太陽電池のCNT
単純な製造プロセス、低い製造コスト、および高い効率のために、色素増感太陽電池（DSSC）には大きな関心がある。 したがって、DSSC効率を改善することは、他の太陽電池技術と競合するほど経済的に製造できる可能性があるため、様々な研究調査の対象となっている。 二酸化チタンナノ粒子は、研究されている他の金属酸化物半導体よりも高い効率を提供するため、DSSCの作用電極として広く使用されている。 しかし、これまでに報告された大気（AM）1.5（100mW / cm2）照射下での最高変換効率は約11％である。 この初期の成功にもかかわらず、さらに効率を高める努力は大きな成果をもたらさなかった。 粒子ネットワークを横切る電子の輸送は、ナノ構造電極におけるより高い光変換効率を達成する上で重要な問題であった。 電子は輸送中に多くの粒界に遭遇し、ランダムな経路を経験するため、酸化された増感剤とのそれらの再結合の可能性が増大する。 したがって、光生成電荷再結合が防止されるべきであるため、酸化物電極の表面積を大きくして効率を上げることは適切ではない。 薄膜電極を介した電子移動の促進および伝導帯の端部の下にある界面準位の阻止は、採用されている効率を高める非CNTベースの戦略のいくつかである。
最近のCNTの開発と製造の進歩により、CNTベースのナノコンポジットとナノ構造を用いて光生成電子の流れを導き、電荷注入と抽出を助長することが約束されている。 DSSCにおける収集電極表面への電子輸送を助けるために、一般的な概念は、光収集半導体粒子を固定するための支持体としてCNTネットワークを利用することである。 これらの研究には、SWCNT上にCdS量子ドットを組織化する研究が含まれています。 励起CdSからSWCNTへの電荷注入は、CdSナノ粒子の励起時に記録された。 CdSeおよびCdTeを含む他の種類の半導体粒子は、CNTに付着したときに可視光照射下で電荷移動プロセスを誘発することができる。 ポルフィリンおよびC60フラーレンを含めて、電極表面上の光活性ドナーポリマーおよびアクセプターフラーレンの構成は、太陽電池の光変換効率においてかなりの改善をもたらすことも示されている。 したがって、半導体SWCNTの電子受容能を利用して電子輸送を促進し、DSSCの光変換効率を高める機会がある。
他の研究者は、電極として使用するために二酸化チタン被覆MWCNTを得るためにゾル – ゲル法を用いてDSSCを作製した。 元来のMWCNTは疎水性表面を有し、分散安定性が低いため、この用途には前処理が必要であった。 不純物を除去するための比較的低破壊の方法では、H 2 O 2処理を用いてMWCNTの酸化によってカルボン酸基を生成した。 もう1つの肯定的な側面は、CO2とH2Oを含む反応ガスが無毒であり、酸化プロセス中に安全に放出できるという事実であった。 処理の結果、H 2 O 2露出MWCNTは親水性表面を有し、表面上のカルボン酸基は極性共有結合を有する。 また、MWCNTの負に帯電した表面は、分散の安定性を改善した。 次いで、MWCNTをゾル – ゲル法を用いて二酸化チタンナノ粒子で完全に囲むことにより、従来の二酸化チタン電池と比較して約50％の変換効率の増加が達成された。 多孔質二酸化チタン膜中の二酸化チタン粒子とMWCNTとの間の増強された相互接続性は、短絡電流密度の改善の原因であると結論付けられた。 ここでもまた、MWCNTの添加は、DSSC中のフィルムを通るより効率的な電子移動を提供すると考えられていた。
PVデバイスの光活性層にSWCNTを利用する際の1つの問題は、合成された時の混合純度（約1/3の金属および2/3の半導体）である。 金属SWCNT（m-SWCNT）は、電子と正孔の対の間で励起子再結合を起こし、金属と半導体のSWCNT（s-SWCNT）との間の接合は、正孔の透過確率を低下させるショットキー障壁を形成する。 合成されたCNTの電子構造の不一致は、半導体性能を最適化するためにm-SWCNTを分離して除去するための電子ソーティングを必要とする。 これは、CNTを直径、キラリティ、および電子タイプによって分離することができる界面活性剤の勾配を含む密度勾配超遠心分離（DGU）プロセスによるCNTの直径および電子選別によって達成することができる。 この選別方法は、m-SWCNTの分離と、固有の波長の光を吸収することができる各キラリティのs-SWCNTの複数のキラリティの正確な収集を可能にする。 s-SWCNTの複数のキラリティは、PV活性層のヘテロ接合を作製するために、フラーレン成分PC71BMと共に正孔輸送材料として使用される。 ポリキラルs-SWCNTは、可視から近赤外（NIR）光まで広範囲の光吸収を可能にし、単一のキラリティナノチューブを使用する場合に比べて光電流を増加させる。 光吸収を最大にするために、倒置したデバイス構造を、活性長さを最小にするために活性層を貫通する酸化亜鉛ナノワイヤ層と共に用いた。 酸化モリブデン（MoOx）は、仕事関数の高い正孔輸送層として電圧を最大にするために利用された。
このアーキテクチャで製造されたセルは、活性層においてCNTを利用する他の太陽電池材料よりも3.1％高い記録出力変換効率を達成しています。 この設計はまた、非常に安定しており、PCEは30日間にわたって約90％のままである。 炭素ナノ材料の例外的な化学的安定性は、劣化を低減するためにカプセル化されなければならない大部分の有機光起電力に比べて優れた環境安定性を可能にする。
約10％のPCEを有するポリマー – フラーレンヘテロ接合太陽電池の最良のものと比較して、ポリキラルナノチューブおよびフラーレン太陽電池はまだまだ離れている。 それにもかかわらず、これらの発見は、太陽電池におけるCNT技術の達成可能な限界を押し進めている。 ポリキラルナノチューブがNIR領域で吸収する能力は、将来の非結晶性太陽電池の寿命および耐久性の増加に伴うマルチ接合タンデム太陽電池の将来の効率を改善するために利用できる技術である。