フッ素系化合物をCNT電極に添加したペロブスカイト太陽電池を開発――耐久性が大きく向上名古屋大学

名古屋大学は2024年12月24日、同大学の研究グループが、フッ素系化合物を添加したカーボンナノチューブ電極を用いたペロブスカイト太陽電池を開発したと発表した。耐久性が大きく向上している。

ペロブスカイト太陽電池では、有機無機ハイブリッド型のペロブスカイト結晶構造であるCH₃NH₃PbI₃が、材料として一般的に用いられている。

同材料は光吸収特性に優れており、電荷キャリア移動度も高いため、高い発電効率を有する。一方で、大気中の酸素や湿気に弱く、耐久性が低いことが課題となっていた。また、金属電極材料もペロブスカイト構造の分解の要因となっており、耐久性の面で課題を有している。

同研究グループは今回、金属電極の代わりに単層カーボンナノチューブ（SWCNT）電極を使用した。加えて、SWCNT電極の性能を向上させるp-ドーパントに2,2,2-トリフルオロエタノール（TFE）を用いた。

強酸性のため、電極に直接滴下するとペロブスカイト層を破壊してしまう既存のp-ドーパントと異なり、TFEは弱酸性のためスピンコートで容易に滴下できる。

実験では、TFEを滴下することで発電効率が13.0％から14.1％に向上した。また、SWCNT電極の表面シート抵抗が37.4Ω/sqから32.7Ω/sqに低下した。さらに、電荷トラップ密度も低下しており、光起電力特性を向上させる効果があることが判明している。

（左）SWCNT電極を採用したペロブスカイト太陽電池の電流ー電圧特性曲線
（右）と断面走査型電子顕微鏡（SEM）による画像

大気中、未封止の環境下でセルを保管し、発電効率の経時変化を測定したところ、30日後の発電効率が9.2％となった。TFEを再滴下すると10.3％に向上しており、再添加を繰り返すことで耐久性を維持できる可能性が示された。

さらに、同様の環境で260日間保管したセルにTFEを再添加したところ、発電効率は8.6％となった。一方で、TFEを滴下していないSWCNT電極のみのセルでは4.8％に留まり、TFEが耐久性に寄与することが判明した。

銀電極を用いた参照セルでは、260日経過後に銀電極の周辺でペロブスカイト層が黄色化し、PbI₂結晶に分解が進行することを確認した。同セルでは、発電もしなかったという。一方で、TFEを滴下したSWCNT電極を用いた太陽電池では、ペロブスカイト層が構造を維持していることが判明した。

大気下、封止なしで260日保管した後のペロブスカイト太陽電池の写真
（左）銀電極周辺で黄色に変色
（右）SWCNT電極を用いるとペロブスカイト層の茶褐色を維持

さらに、銀電極を用いた太陽電池を280日間保管したところ、ペロブスカイト層が完全に分解しており全く発電しなかった。また、TFEを滴下していないSWCNT電極を用いた太陽電池では、発電効率が1.7％まで低下している。

一方で、TFEを滴下したSWCNT電極を用いた太陽電池では、SWCNT電極の周りでペロブスカイト層の色が維持され、発電効率8.1％を記録した。これらの結果により、TFEによる長期耐久性の効果を実証した。

TFEとエタノール（EtOH）をそれぞれ滴下したSWCNT表面のX線光電子分光法（XPS）の測定結果では、TFEの場合でCOOやCOに由来する官能基のピーク強度が減少している。

また、30日後のX線回折測定（XRD）の結果では、TFEを滴下していない太陽電池において、12度付近にPbI₂結晶のピークが生じた。一方で、TFEを滴下した太陽電池ではピークが生じていない。TFEを滴下してもペロブスカイト結晶が維持されていることを示す結果となっている。

TFEを滴下すると、SWCNTの添加効果により表面シート抵抗が低下する。また、表面に付着した親水性物質を除去できる。

加えて、TFEはペロブスカイト層の表面にも直接塗布できるため、酸素や湿気に対する保護層として一時的に機能したものとみられる。

（上段）X線光電子分光測定結果
（下段左）X線回折測定結果
（下段右）太陽電池概略図

なお、2023年より欧州を中心にフッ素化物質がPFASとして使用制限されており、日本でも規制や対策の強化が進んでいる。フッ素を含むTFEは炭素鎖が短く、低沸点により揮発性が高く、環境中の生物蓄積性や持続性が少ないため、狭義のPFASには該当しないという。

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