真空蒸着プロセスに使用できるフラーレン誘導体を用いて、耐久性が高いペロブスカイト太陽電池を作製名古屋大学

名古屋大学は2023年12月20日、同大学大学院工学研究科と未来社会創造機構マテリアルイノベーション研究所の研究グループが、真空蒸着プロセスに使用でき、形態的に安定な蒸着膜を与えるフラーレン誘導体を開発し、これを電子輸送層に用いて、耐久性が高いペロブスカイト太陽電池を作製したことを発表した。ペロブスカイト太陽電池の普及における最大の課題となっていた耐久性の向上を実現している。

フラーレンは有機エレクトロニクス分野で重要な材料だが、有機電子デバイスにフラーレン誘導体のような有機半導体を用いるには、これらの有機材料を薄い膜（薄膜）にする必要がある。薄膜を作製する方法には塗布と真空蒸着があり、今回新たに、真空蒸着に用いることができ、アモルファスな蒸着膜を与えるtBu-FIDOというフラーレン誘導体を開発した。

アモルファス薄膜は熱で結晶化せず、良好な形態安定性を示した。真空蒸着によりフラーレン（C₆₀）は、ある程度の結晶性を示す蒸着膜を与え、薄膜を150℃に加熱すると結晶化の度合いが大きくなる。今回開発したターシャリーブチル基置換のインダノフラーレンケトン（tBu-FIDO）は蒸着後も加熱後もアモルファス薄膜であり、加熱により薄膜の形態が変化しなかった。

ペロブスカイト太陽電池は、高いエネルギー変換効率を示し、比較的低コストで製造できるが、耐久性や安定性の面で課題がある。化学的にフラーレン誘導体は安定だが、特にC₆₀など形態的な安定性を示さないものがあり、研究では電子輸送層に形態的な安定性を示すtBu-FIDOを用い、ペロブスカイト太陽電池を作製した。電子輸送層は、真空蒸着により作製している。

C₆₀を真空蒸着して形成した電子輸送層をもつペロブスカイト太陽電池を作製し、比較したところ、通常のC₆₀を用いたペロブスカイト太陽電池ではC₆₀の結晶化のために薄膜形態が変化し、作製直後から性能が低下した。

しかし、tBu-FIDOを電子輸送層としたペロブスカイト太陽電池は、初期のエネルギー変換効率から16日間保管後の変換効率が上昇し、その後、低下が見られなかった。太陽電池の性能向上は重要だが、特に16日間性能の低下が見られなかった点が重要だと考えられる。

今回の研究により、ペロブスカイト太陽電池の実用化／市場化で最大の問題だった耐久性の向上に寄与する材料を創出した。これは、ペロブスカイト太陽電池の発展に貢献する。また、真空蒸着が可能なフラーレン誘導体は、有機薄膜太陽電池、有機光ダイオード等の光電変換素子に用いられることも期待される。

特に有機光ダイオードの工業的な生産には、真空蒸着が可能なp型有機半導体とn型有機半導体が使われており、このうち真空蒸着が可能なフラーレン誘導体は、この目的のn型有機半導体として使われると考えられる。

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