阪大など、ペロブスカイト太陽電池の材料探索時間を1/10以下に短縮

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大阪大学は2016年8月4日、同大学大学院工学研究科の佐伯昭紀准教授と京都大学化学研究所の若宮淳志准教授らの研究グループが、次世代太陽電池として期待されるペロブスカイト太陽電池の材料探索時間を1/10以下に短縮する手法を新たに開発したと発表した。

同研究グループは今回JST戦略的創造研究推進事業の一環として、ペロブスカイト太陽電池にて生成した正孔を電極へ運ぶ正孔輸送材の性能を、データ科学的統計法と組み合わせて高速に評価する手法を確立したという。

ペロブスカイト太陽電池は、吸収した光を電荷(正孔と電子)に変えるペロブスカイト層や、正孔と電子を陽極と陰極に分別するための正孔輸送層などから構成されている。太陽電池の光電変換効率を高めるには高性能な電荷輸送層の開発が重要だが、素子の性能は多くの因子が関与してくるため、有機高分子(ポリマー)や低分子材料から成る正孔輸送層の開発と性能評価には長い時間と繰り返し実験が必要だった。

そこで佐伯昭紀准教授らの研究グループは、マイクロ波と短パルスレーザーを組み合わせた測定装置を用いて、ペロブスカイト発電層から正孔輸送層への正孔移動効率を直接評価できる方法を確立した。この方法では、通常の素子評価に比べて評価時間を1/10以下に短縮できるという。

また、データ科学的統計法を融合することで、“性能を決める変数”の抽出にも成功。今後この変数を、マテリアルズ・インフォマティクスを用いた高性能な正孔輸送材の設計と開発に生かすとしている。

データ科学的統計法を用いて素子性能とマイクロ波信号の相関性を調査

佐伯昭紀准教授らの研究グループは今回、数種類の高分子を個別にペロブスカイト層に塗布し、マイクロ波法を用いてナノ秒~マイクロ秒での電荷の時間挙動を評価。青緑色のレーザー光パルスを照射すると、ペロブスカイト中に瞬間的に正孔と電子が生成し、大きなマイクロ波信号が観測される。だが、正孔輸送層である高分子膜を塗布した2層膜では、マイクロ波信号が大きく減少し、減衰速度も速くなることが観測された。

続いて、このマイクロ波信号の減少量を解析し、正孔移動効率の時間変化の定量化に成功。さらに詳しく解析することで、1つの材料につき4つの実験変数を抽出した。また、それぞれの高分子を正孔輸送層に使ったペロブスカイト太陽電池素子を作製して素子性能を評価することで、ペロブスカイト発電層が同一であるにも関わらず、変換効率が1%程度から17%程度まで大きく異なることを明らかにした。

しかし、素子性能とマイクロ波信号の間にどのような関係があるのかをすぐに突き止めることはできなかった。そこで、実験変数を個々に扱うだけでなく、和や積などの組み合わせを検討し、今回評価した8種類の高分子だけでなく、過去に評価した低分子材料のデータを加え、データ科学的統計法を用いて素子性能との相関を調査。その結果、実験変数のうち初期正孔移動効率と移動速度の積が、太陽電池素子の短絡電流密度に最も相関することが判明したという。

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