効率20%超で1000時間以上の太陽光連続発電を実現

~界面制御したペロブスカイト太陽電池のブレイクスルー~

2022.09.16

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMSは、太陽光に対して20%以上の光電変換効率を維持しながら、1,000時間以上の連続発電に耐える耐久性の高いペロブスカイト太陽電池を開発しました。

概要

物質・材料研究機構 (NIMS) は、太陽光に対して20%以上の光電変換効率 (発電効率) を維持しながら、1,000時間以上の連続発電に耐える耐久性の高いペロブスカイト太陽電池 (1 cm角) を開発しました。この太陽電池は、約100 ℃でプラスチック上に作製できるため、汎用太陽電池の軽量化も可能にします。
太陽電池は脱炭素政策の一翼を担い、世界各国で精力的に研究が進められています。従来の太陽電池よりも製造コストが安く加工しやすい次世代太陽電池として、ペロブスカイト太陽電池が注目されています。しかし、ペロブスカイト太陽電池は水分との反応により劣化しやすく、高い光電変換効率と長期耐久性の両立が課題でした。
一般的なペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカイト層が太陽光を吸収して、電子と正孔を発生させ、この電子と正孔は、ペロブスカイト層に隣接する電子輸送層 (電子を取り出して輸送する) と正孔輸送層 (正孔を取り出して輸送する) へ移動することで電流として取り出されます。そのため、各層と界面での電子と正孔のスムーズな移動を保ちつつ、水分子を遮蔽する界面制御が、発電効率と耐久性を両立させる鍵でした。
本研究では、電子輸送層とペロブスカイト層 (ABX₃で記述される結晶構造でA= ホルムアミジニウムイオン(FA⁺), Cs⁺ ,Rb⁺、B=Pb²⁺、X=I^-のFA_0.84Cs_0.12Rb_0.04PbI₃ペロブスカイトを形成しました) の界面にフッ素原子を有する (撥水性を有する) ヒドラジン誘導体 (5F-PHZ) を導入しました。これにより、電子輸送層を通じてペロブスカイト層に侵入する水分子を遮断することで、太陽電池の耐久性を高め、発電ロスの原因となるペロブスカイト表面欠陥の形成を抑えることに成功しました。また、正孔輸送層とペロブスカイト層の界面にホスホン酸誘導体 (MeO-2PACz) を導入することにより、正孔輸送層の欠陥を極小化でき、太陽電池の効率を向上させることができました。
本成果を利用して、界面に導入可能な種々の分子をデータベース化し、データ駆動型研究により、界面制御のための分子設計を行うことによって、さらに高効率で耐久性の高いペロブスカイト太陽電池の研究を進めていきます。
研究成果について、Advanced Energy Materials 2022年, ページ2202029.及びACS Omega 2022年, Vol.7, ページ12147−12157に掲載されました。

プレスリリース中の図 : ペロブスカイト太陽電池、デバイス構造と各界面に導入された分子の模式図

掲載論文①

題目 : Interfacial Embedding for High-Efficiency and Stable Methylammonium-Free Perovskite Solar Cells with Fluoroarene Hydrazine
著者 : Dhruba B. Khadka, Yasuhiro Shirai, Masatoshi Yanagida, Terumasa Tadano, and Kenjiro Miyano
雑誌 : Advanced Energy Materials 2022年, ページ2202029
掲載日時 : 2022年8月17日
DOI : 10.1002/aenm.202202029

掲載論文②

題目 : Surface Passivation of Sputtered NiO_x Using a SAM Interface Layer to Enhance the Performance of Perovskite Solar Cells
著者 : Amira R. M. Alghamdi, Masatoshi Yanagida, Yasuhiro Shirai, Gunther G. Andersson, and Kenjiro Miyano
雑誌 : ACS Omega 2022年, Vol.7, ページ12147−12157
掲載日時 : 2022年3月30日
DOI : 10.1021/acsomega.2c00509

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