ペロブスカイト太陽電池の劣化問題の原子レベル機構が理論計算から明らかに

NIMS MANA、GREENの研究グループは、ペロブスカイト太陽電池の実用化にむけた重要課題である、劣化が速いこと、変換効率の再現性が低いことの原因として、陽イオン分子の拡散が重要な役割を果たすことを、原子レベルからの理論計算により世界で初めて証明しました。

1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS） 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（MANA）の館山 佳尚グループリーダー、NIMSナノ材料科学環境拠点（GREEN）の春山 潤ポスドク研究員らの研究グループは、ペロブスカイト太陽電池の実用化にむけた重要課題である、劣化が速いこと、変換効率の再現性が低いことの原因として、陽イオン分子の拡散が重要な役割を果たすことを、原子レベルからの理論計算により世界で初めて証明しました。

2. ペロブスカイト太陽電池は安価で高効率な次世代太陽電池として急速に研究が進んでいます。しかし、劣化が非常に速く耐久性に大きな問題を抱えています。また電流−電圧曲線に大きなヒステリシスが現れることが多く、電圧のかけ方によって変換効率が変動するという問題もあります。これらは実用化に対して大きな障壁となっており、多くの研究者がその解消法の開発に取り組んでいます。

3. 本研究では、第一原理計算と反応経路の探索手法を組み合わせることにより、代表的なペロブスカイト材料内において、すでに予想されていた空孔を媒介とする陰イオンの拡散に加えて、これまで注目されて来なかった陽イオン分子も空孔を媒介として容易に拡散し、移動しうることを世界で初めて証明しました。この陽イオン分子はペロブスカイト材料の構造維持に重要な役割を果たし、その移動は大きな構造の歪みをもたらすことから、速い劣化や変換効率のヒステリシスの有力な原子レベル機構であると言えます。さらに、これらの結果から空孔密度の減少やイオンサイズの制御が劣化等の抑制に有効であることが示されました。この知見はNIMSをはじめ最近の実験研究により発表された劣化やヒステリシスが改善されたペロブスカイト太陽電池の原子レベルでの機構を明らかにするものとなっています。

4. 本研究成果は、いまだに不明な点が多いペロブスカイト太陽電池内の原子レベル過程の理解を増進させ、高耐久性かつ高安定性を実現するための材料設計指針を与えるものであり、実用化可能なペロブスカイト太陽電池開発に大きく貢献することが期待されます。

5. 本研究は国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）「エネルギー高効率利用と相界面」研究領域の研究課題「第一原理統計力学による太陽電池・光触媒界面の動作環境下電荷移動・励起過程の解明」（研究者：館山 佳尚）および文部科学省委託事業「ナノテクノロジーを活用した環境技術開発プログラム」の一環として行われました。本研究成果は米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン速報版に掲載され、近日中に正式掲載されます。

プレスリリースの図2： MAPbI3内におけるMA+イオン（中央上）とI-イオン（中央下）の拡散経路の模式図。赤色の状態から白色の経路を通って青色の状態に到達します。前者の活性障壁が0.57 eV程度、後者が0.45 eV程度であり、室温で陽イオン・陰イオンともに十分拡散することが示されました。