NIMS､効率20%超で1000時間以上の太陽光連続発電を実現

October, 3, 2022, つくば--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た。
　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する。
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る。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だった。
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る。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だった。
NIMS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FA0.84Cs0.12Rb0.04PbI3ペロブスカイトを形成) 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た。
　NIMSは､この成果を利用して、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く。
研究成果は、Advanced Energy Materials 2022年, ページ2202029.及びACS Omega 2022年, Vol.7, ページ12147−12157に掲載された。
(詳細は､https://www.nims.go.jp)