広島大学大学院先進理工系科学研究科の尾坂格 教授、三木江翼 助教、京都大学大学院工学研究科の大北英生 教授、日本電子株式会社の西山裕介 博士らの共同研究チームは、広島大学のグループが以前に開発したポリマー半導体[1]であるPTNT2Tについて、その高い電荷移動度[2]の起源を明らかにするとともに、有機薄膜太陽電池（OPV）[3]において世界最高水準のエネルギー変換効率を達成しました。従来、ポリマー半導体では、ポリマー主鎖が規則正しく並んだ結晶構造を形成することが電荷輸送性向上に不可欠であると考えられてきました。しかし、PTNT2Tは結晶構造の秩序（結晶性）が低いにもかかわらず高い電荷輸送性を示すことが以前の研究で分かっていました。今回、共同研究チームは、ポリマー主鎖を形成するTNT骨格同士が分子レベルで重なり合う「core‐to‐coreスタッキング」によって、低結晶性ながら効率的な電荷輸送経路が形成されることを発見しました。さらに、PTNT2Tをドナー材料として発電層に用いたOPVは、発電層を厚膜化しても高いフィルファクター（FF）[4]を維持できることを実証しました。特にフラーレン[５]誘導体（PCBM）をアクセプター材料とするOPVでは、300 nmを超える厚膜において、世界で初めて FF 80%超を達成し、世界最高の変換効率 12%を実現しました。OPV を大面積化する場合、製造手法上、発電層を厚膜化することが必須であるため、厚膜化しても性能を維持できることは極めて重要です。また、比較的安価なアクセプター材料であるPCBMを用いても高い変換効率を実現できたことは、低コスト化に向けて重要です。
本研究成果は、高結晶性に依存しない高移動度ポリマー半導体の新しい材料設計指
針を提示するものであり、近年、次世代型太陽電池として注目が高まっているOPVの
実用化を加速することが期待できます。
本研究成果は、2026年７月13日（月）（日本時間1８時）に英国王立化学会の総
合科学誌「Chemical Science」にオンライン掲載されます。
＜論文情報＞
・論文のタイトル：“Core-to-Core Overlap Promotes Interchain Charge
Transport across Crystalline and Amorphous Regions in a Conjugated
Polymer: High Fill Factors in Thick Organic Photovoltaic Cells ”
・著者：Tsubasa Mikie*, Tomokazu Morioku, Kodai Yamanaka, Momoka
Hada, Hiroyuki Ishii, Yuki Sato, Jihun Jeon, Yutaka Ie, Kyohei Nakano,
Keisuke Tajima, Yusuke Nishiyama*, Hyung Do Kim, Hideo Ohkita*, Itaru
Osaka*
・掲載雑誌：Chemical Science
・DOI：10.1039/d6sc01947a
【背景】
ポリマー半導体は、塗布プロセスで簡便に薄膜化できる半導体材料であり、有機トラ
ンジスタや有機薄膜太陽電池（OPV）など、有機デバイスへの応用が期待されていま
す。これらのデバイスの高性能化において、高い電荷移動度を示すポリマー半導体の開
発は重要な課題です。
これまで、ポリマー半導体の電荷移動度を高めるためには、ポリマー主鎖間の秩序（結
晶性）を高めることが重要であると考えられてきました。一方で、結晶性を高めて高移
動度化することによって、溶媒への溶解性は低下するため、塗布プロセスによる成膜が
難しくなるというトレードオフがありました。また、OPVでは一般的に、ポリマー半
導体の電荷移動度が低いため、発電層の膜厚が100 nmを超えると、性能が大きく低
下することが問題となっていました。しかし、大面積モジュールを作製する上で、発電
層を均一にするために300 nm以上の厚さにすることが必須です。そのため、高い溶
解性を維持しながら優れた電荷輸送性を実現するポリマー半導体の開発は、OPVを実
用化する上で極めて重要な課題となっていました。
【研究成果の内容】
今回、共同研究チームは、広島大学のグループが以前に開発したポリマー半導体
PTNT2T（図1）に着目しました。PTNT2Tは、従来のポリマー半導体とは異なり、
低結晶性で溶解性が高いにもかかわらず、電荷移動度が高いという興味深い特性をもつ
ことが分かっていました。そこで、ポリマーの電荷輸送機構について詳しく調査すると
ともに、OPV素子への応用を検討しました。
まず、理化学研究所の但馬敬介チームディレクターと中野恭兵上級研究員による多
入射角分光エリプソメトリー測定[６]から予想されるポリマー主鎖の配列方向や、筑波
大学の石井宏幸教授による量子化学計算から予想される主鎖方向の有効質量[７]など
を基にすると、PTNT2Tが低結晶性ながら高い移動度を示す理由は、ポリマー主鎖方
向の電荷輸送性が優れていることにあると分かりました。一方で、さらに詳しく
PTNT2Tの集合体構造を調査すると、ポリマー主鎖間には、ある強い相互作用がある
ことが分かりました。日本電子株式会社の西山裕介博士による固体 NMR 測定[８]や、
モデル化合物の結晶構造解析の結果、PTNT2Tではポリマー主鎖を形成するTNT骨
格同士が大きく重なり合った core‐to‐core スタッキングが形成されていることを発
見しました（図2）。さらに、大阪大学産業科学研究所の家裕隆教授による量子化学計
算から、このcore‐to‐coreスタッキングにより、π電子の重なりは通常の３倍も大き
いことが分かり、PTNT2Tは主鎖間の電荷輸送に非常に有利であることが明らかとな
りました。これにより、PTNT2Tはポリマー主鎖方向のみならず、このユニークな分
子レベルの相互作用によってポリマー主鎖間においても効率的な電荷輸送経路が形成
され、低結晶性ながら高速な電荷輸送（高い移動度）が実現されていることが示されま
した。また、京都大学の大北英生教授らのグループによる電気的解析の結果、電荷回収
に比べて電荷再結合[９]が大幅に抑制されていることが明らかになりました。
そこで、PTNT2Tをドナー材料として発電層に用いたOPV素子を作製したところ、
特にPCBMをアクセプター材料とした場合、300 nmを超える通常の３倍もの厚さの
発電層においても、FFが80%を超える極めて高い値を示しました。さらに、エネルギ
ー変換効率は、このような厚膜ながら世界最高水準となる 12%を示しました。また、
アクセプター材料に非フラーレンを用いた場合でも、エネルギー変換効率は15.6%と
高い値を記録しました。
本研究は、広島大学大学院先進理工系科学研究科の尾坂格 教授、三木江翼 助教、山
中滉大 特任助教、森奥友和 氏（R2年度博士課程前期修了）、羽田百伽 氏（大学院博
士前期課程 2 年）、京都大学大学院工学研究科の大北英生 教授、キムヒョンド 助教、
佐藤友揮 氏（大学院博士後期課程3年）、ジョンジフン 氏（大学院博士後期課程3年 ）、
大阪大学産業科学研究所の家裕隆 教授、理化学研究所の但馬敬介 チームディレクター、
中野恭兵 上級研究員、筑波大学数理物質系の石井宏幸 教授、日本電子株式会社の西山
裕介 博士らの共同研究によるものです。
本研究成果は、科学技術振興機構（JST）の未来社会創造事業および ALCA-Next
（研究開発課題名：「革新的有機半導体の開発と有機太陽電池効率20%への挑戦」、 研
究開発代表者：尾坂格（広島大学 教授）、研究開発期間：令和2年11月～令和7年
3 月、令和７年４月〜令和１１年３月）、および新エネルギー・産業技術総合開発機構
（NEDO）太陽光発電主力電源化技術開発事業（研究開発課題名：「シースルー型有機
薄膜太陽電池の高効率化およびモジュール化技術開発」、研究開発代表者：尾坂格（広
島大学 教授）、研究開発期間：令和5年7月～令和7年3月）の支援を受けて行われ
ました。
【本成果の位置づけと今後の展開】
本研究は、「結晶性を高めなくても、高い電荷輸送性を実現できる」という従来のポ
リマー半導体の常識を覆す重要な成果です。これにより、トレードオフであった高い溶
解性と高い電荷移動度を両立することが可能となり、高性能で実用的なポリマー半導体
の開発が加速されることが期待されます。また、安価なアクセプター材料であるPCBM
を用い、300 nmと厚膜の発電層を用いても高い変換効率を実現できたことは、OPV
の社会実装に向けた大きな前進であると言えます。
常識を覆す新材料で有機薄膜太陽電池の性能向上に成功 ～低コスト、大面積化に向けた実用化研究が前進～
代表者 : 石井 宏幸