ペロブスカイト太陽電池の効率と耐久性を向上する、新規有機ホール輸送材料を開発 産総研と日本精化

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産業技術総合研究所は2022年3月9日、同研究所のゼロエミッション国際共同研究センターが日本精化と共同で、ドーパントと呼ばれる添加剤を使用せずに、ペロブスカイト太陽電池に使われる新しい有機ホール輸送材料を開発したと発表した。開発した新規材料は、高い光電変換効率を得られる。

ペロブスカイト太陽電池は、高効率、低コスト化に対応する次世代太陽電池で、これまでの太陽電池よりも薄く、フィルム化できる。また、曲げなどの歪みに強いという特性を有し、容易に曲面に設置できる。これまで設置が困難だった場所への導入にも対応するなど、大幅に発電の場所を拡大できる新しい超軽量の太陽電池として期待されている。

ペロブスカイト太陽電池に使われる有機ホール輸送材料は、ドーパントが無い場合、ホール輸送能力を示すホール移動度が小さいため、リチウムイオンなどのドーパントを混合することでホール移動度を約10倍向上させ、高い光電変換効率を得ている。

しかし、一般的にドーパントは吸湿性があり、湿気に対する耐久性を低下させる原因になることがあるため、高い光電変換効率をドーパントの添加なしで得られるホール輸送材料の開発が期待されていた。研究では、新しい化学構造をこれまでのホール輸送材料に導入。ドーパント無しで、高い光電変換効率が得られる新規ホール輸送材料を得ることに成功した。

ペロブスカイト太陽電池の有機ホール輸送材料であるSpiro-OMeTADは、分子の先端に酸素とメチル基から成るメトキシ基を持つ。このメトキシ基をジメチルアミノ基に変えて分子内に電子を送り込む機能(電子供与性)を高め、分子の中心に近い位置に、分子内から電子を引き出す機能(電子吸引性)が高いシアノ基を導入することで、新規ホール輸送材料を合成した。

ドーパントをホール輸送材料に添加しない条件で、ペロブスカイト太陽電池(MAPbI3)に、従来材料と新規ホール輸送材料をそれぞれ導入したところ、新規材料は光電変換効率が16.3%向上した。従来材料は12.9%だったことから、新規材料は光電変換効率が約3割向上している。この新規ホール輸送材料をより高い変換効率が期待されるペロブスカイト[Cs0.05(FA0.85MA0.150.95Pb(I0.89Br0.113]と組み合わせると、変換効率が18.7%になった。

(左)新規ホール輸送材料 (右)新規ホール輸送材料を用いて作製したペロブスカイト太陽電池

従来型と新規ホール輸送材料をドーパント無しで用いたペロブスカイト太陽電池 (面積0.119cm2)の電流電圧特性

この新規ホール輸送材料は、厚さ100~200nmの一般的なホール輸送材料と比べ、厚さ30~50nmと薄膜化できる。より少ない材料で成膜できることから、低コスト化につながる。

また、85℃での耐熱試験を未封止の太陽電池に実施。電池の初期性能が1000時間ほぼ維持され、高い耐熱性が得られたことから、開発した新規ホール輸送材料はペロブスカイト太陽電池の変換効率の向上と耐久性の向上を両立できる。

従来型と新規ホール輸送材料を用いたペロブスカイト太陽電池の耐熱性試験(未封止、暗所保管)

今後、ドーパント無しのホール輸送材料を高性能化し、太陽電池のさらなる性能の向上を目指す。また、耐熱性をさらに向上し、耐湿性、耐光性試験で実用できる長期安定性を実証するほか、寿命20年以上の高効率ペロブスカイト太陽電池を開発する。

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