ロールトゥロール方式で作るAgNWネットワーク／自己マスキング保護を施したAgフィンガーによる大面積一体型フレキシブル有機太陽電池

巻いて持ち運べる太陽光発電

プラスチックの薄片のように薄く曲げられる太陽パネルを、バックパックやテント、服に巻きつける──フレキシブル有機太陽電池はまさにその可能性を秘めています。しかし、面積を大きくしようとすると性能が低下しがちです。本研究は、デバイス内部で電気を運ぶ目に見えない金属ネットワークを再設計することで、大面積でも高効率を維持する方法を示します。

大きなフレキシブルパネルが難しい理由

フレキシブル有機太陽電池は、太陽光で生じた電流を集めるために透明で導電性のある薄膜を使います。よく使われるのは銀ナノワイヤの網目で、透明で曲げやすい一方、デバイスが広くなると導電性が十分でなくなります。パネル幅が大きくなるほど電流はこの薄膜を長く伝わる必要があり、熱としてエネルギーが失われ出力が下がります。これまでの対策は、複雑なレーザーパターニングや有機層を傷つける可能性のある太い金属線に頼ることが多く、大面積の一体型（モノリシック）フレキシブルパネルの性能を制限してきました。

隠れた銀のハイウェイを追加する

本研究では、透明性と柔軟性を担う細かいナノワイヤネットワークと、電流を高速に運ぶ狭い金属格子フィンガーという二種類の銀を組み合わせた新しい透明電極を設計しました。どちらもロールトゥロール印刷で作製され、新聞印刷に似た大量生産向きの工程です。格子線の幅と間隔を慎重に選ぶことで、電極の有効抵抗をおよそ15オーム／平方から1～2オーム／平方まで下げられます。これは通常は剛性のあるシリコンパネルで求められるレベルです。数値モデルが設計を導き、金属による遮光と電気損失のバランスを取ります。

繊細なアクティブ層を保護する

単に太い銀線を追加すると、金属が上に積層された薄い有機層より遥かに高くなるためショートを起こしやすくなります。これを避けるため、研究チームは格子部のみを選択的に覆う自己マスキング性のフォトレジスト層を導入しました。感光性の絶縁材料を全面にコートし、プラスチック基板側から紫外線を照射します。盛り上がった銀格子が光を散乱・遮蔽するため、現像後にはフォトレジストが主に格子上に残り、厚さ約1～2マイクロメートルの滑らかな保護キャップを形成します。この保護により金属がアクティブ層に突き刺さるのを防ぎつつ、ナノワイヤ領域の大部分は電気接触のために覆われないまま残せます。

損失をモデル化して設計を導く

研究者らは大面積セルにおける電力損失の発生箇所を解析しました：透明薄膜内、金属指状電極内、そして格子による遮光です。格子なしの電極では、フィルム抵抗とデバイス幅の両方で損失が急速に増え、広幅のフレキシブルセルが実用的でなくなることを示しています。モデルは有効抵抗を1～2オーム／平方程度まで下げられれば、幅およそ5センチメートルのパネルでも許容できる損失で動作可能であることを示しました。これを基に最適な格子ジオメトリを探索し、幅約100～110マイクロメートル、間隔は数ミリメートル程度の線が、全体の損失を最小化しつつ均一な被覆が可能な十分に滑らかな表面を保てることを見出しました。

高効率、耐久性、良好な歩留まり

この複合電極と自己マスク保護を用いて、研究チームは4および16平方センチメートルのアクティブ面積を持つフレキシブル有機太陽電池を作製しました。小型セルは変換効率15.20パーセントに達し、大型セルでも14.24パーセントを維持しており、サイズ増大による低下はごくわずかです。銀格子がない場合、同様の大面積セルはより大きな電流・電圧損失を被ります。絶縁された格子は信頼性も大幅に向上させ、デバイスはほとんど電気的リークを示さず、長時間の保管後でも効率を大部分保ち、何千回もの曲げ試験にも耐えて性能変化は最小限でした。プロセスはほぼ100パーセントの稼働デバイスを生み出せるため、実際の製造に必要な要件を満たします。

将来のフレキシブル太陽パネルへの意味

一般向けに言えば、著者らは曲げられる太陽電池を効率を失わずにスケールアップする実用的な方法を見つけた、ということです。隠れた銀のハイウェイを印刷し、それを賢い保護コーティングで覆うことで、脆弱で抵抗の高い薄膜を堅牢で低損失の電力取り出し体に変えています。このアプローチは、将来のフレキシブルパネルがウェアラブル機器に電力を供給したり、携帯型のシェルターや大面積表面に電力を与えたりする際に、薄く軽く巻いて運べる特性を保ちながら実用化を後押しする可能性があります。

引用: Han, Y., Chen, Z., Fang, L. et al. Roll-to-Roll AgNWs Networks/Ag Finger by Self-Masking Protection for Large-Area Monolithic Flexible Organic Solar Cells. Nat Commun 17, 4444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70740-5

キーワード: フレキシブル有機太陽電池, 銀ナノワイヤ電極, ロールトゥロール印刷, 金属格子電極, 大面積光電変換