Development of Semiconductor Materials for Highly Efficient Tin-based Perovskite Solar Cells

• Project/Area Number: 21J14762
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Hu Shuaifeng 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: ペロブスカイト / パッシベーション / 表面化学 / 太陽電池 / 電荷回収

Outline of Research at the Start

本研究は、Snペロブスカイト太陽電池の高性能化に向けた課題として、1) Snペロブスカイト薄膜の結晶成長速度制御による欠陥構造の低減（JSCの向上）、2) 電荷回収層材料とのエネルギー準位制御（VOCの向上）に着目し、これらに対して材料化学の視点から独自のアプローチにより半導体材料開発を展開することで、光電変換効率の飛躍的な向上の実現を目指すものである。

Outline of Annual Research Achievements

Sn-Pb系ペロブスカイト太陽電池の高性能化を目指し、独自に開発したペロブスカイト層の表面パッシベーションの効果とそのメカニズムの詳細を明らかにした。
ペロブスカイト層の上下表面の構造修飾法として、表面をEDAI2、下面をグリシン塩酸塩で選択的に構造修飾する手法を考案し、それぞれ電子と正孔の取り出しの観点から、適したダイポールを持たせたこれらのパッシベーションが有効に作用し、理論限界に迫る高い開放電圧を得るとともに、Snを含むペロブスカイト太陽電池としても世界最高値である23.6%の光電変換効率を達成した。
さらに、一連のジアミンやフラーレンのカルボン酸誘導体を用いたパッシベーション法が、溶液でプロトン移動しながら、選択的にSn-Pbペロブスカイト界面を構造修飾するメカニズムについて、各種先端分光法と理論計算の結果と合わせて明らかにした。
具体的には、ペロブスカイト薄膜の表面をピペラジン（PP）などのジアミンで処理することで、表面でのプロトン移動反応によりジアンモニウムで構造修飾することが可能であり、さらにフラーレンのトリカルボン酸誘導体（CPTA）を塗布することで、ペロブスカイト薄膜表面のスズ上に選択的に配位結合できることを見出した。これらを組み合わせた相乗的表面修飾法により、Snを含むペロブスカイト太陽電池で22.7%の光電変換効率を達成するとともに、窒素ガス雰囲気下で>2000時間、空気中でも>450 時間でも90%以上の出力を保つ高い耐久性を実現した。
これらの成果は、論文発表後1年未満でhot paper （Top0.1%高被引用論文）として取り上げられるなど、ペロブスカイト太陽電池の高性能化に対する手法の新潮流を生み出したものとして、国内外で注目を集めている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Oxford(英国)
• [Int'l Joint Research] Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Universidad de Valencia(スペイン)
• [Journal Article] Prospects for Tin-Containing Halide Perovskite Photovoltaics (2023)
  • Author(s): Shuaifeng Hu*, Joel A. Smith*, Henry J. Snaith*, Atsushi Wakamiya*
  • Journal Title: Precis. Chem. Volume: 1 Issue: 2 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1021/prechem.3c00018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] BAr2‐bridged Azafulvene Dimers with Tunable Energy Levels for Photostable Near‐infrared Dyes (2023)
  • Author(s): Tan Tiancheng、Nakamura Tomoya、Murdey Richard、Hu Shuaifeng、Truong Minh Anh、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Chemistry-A European Journal Volume: － Issue: 34 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1002/chem.202300529
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tripodal Triazatruxene Derivative as a Face-On Oriented Hole-Collecting Monolayer for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells (2023)
  • Author(s): Truong Minh Anh、Murdey Richard、Yamada Takumi、Hira Shota、Xie Lingling、Nakamura Tomoya、Shioya Nobutaka、Kan Daisuke、Tsuji Yuta、Iikubo Satoshi、Yoshida Hiroyuki、Shimakawa Yuichi、Hasegawa Takeshi、Kanemitsu Yoshihiko、Suzuki Takanori、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Issue: 13 Pages: 7528-7539
  • DOI: 10.1021/jacs.3c00805
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synergistic Surface Modification of Tin?Lead Perovskite Solar Cells (2023)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Zhao Pei、Nakano Kyohei、Oliver Robert D. J.、Pascual Jorge、Smith Joel A.、Yamada Takumi、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Shioya Nobutaka、Hasegawa Takeshi、Ehara Masahiro、Johnston Michael B.、Tajima Keisuke、Kanemitsu Yoshihiko、Snaith Henry J.、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Issue: 9 Pages: 2208320-2208320
  • DOI: 10.1002/adma.202208320
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Challenges and strategies toward long-term stability of lead-free tin-based perovskite solar cells (2022)
  • Author(s): Ece Aktas, Nagalingam Rajamanickam, Jorge Pascual, Shuaifeng Hu, Mahmoud H. Aldamasy, Diego Di Girolamo, Wenhui Li, Giuseppe Nasti, Eugenia Martinez-Ferrero, Atsushi Wakamiya, Emilio Palomares, Antonio Abate
  • Journal Title: Commun. Mater. Volume: 3 Issue: 1 Pages: 104-104
  • DOI: 10.1038/s43246-022-00327-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Universal Surface Treatment for p-i-n Perovskite Solar Cells (2022)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Pascual Jorge、Liu Wentao、Funasaki Tsukasa、Truong Minh Anh、Hira Shota、Hashimoto Ruito、Morishita Taro、Nakano Kyohei、Tajima Keisuke、Murdey Richard、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 14 Issue: 50 Pages: 56290-56297
  • DOI: 10.1021/acsami.2c15989
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Perovskite/Perovskite Tandem Solar Cells in the Substrate Configuration with Potential for Bifacial Operation (2022)
  • Author(s): Lidon Gil-Escrig, Shuaifeng Hu, Kassio P. S. Zanoni, Abhyuday Paliwal, M. Angeles Hernandez-Fenollosa, Cristina Roldan-Carmona, Michele Sessolo, Atsushi Wakamiya, Henk J. Bolink
  • Journal Title: ACS Materials Lett. Volume: 4 Issue: 12 Pages: 2638-2644
  • DOI: 10.1021/acsmaterialslett.2c01001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Using High-Purity Starting Materials (2022)
  • Author(s): Nakamura Tomoya、Otsuka Kento、Hu Shuaifeng、Hashimoto Ruito、Morishita Taro、Handa Taketo、Yamada Takumi、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 5 Issue: 12 Pages: 14789-14798
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02144
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Operational stability, low light performance, and long-lived transients in mixed-halide perovskite solar cells with a monolayer-based hole extraction layer (2022)
  • Author(s): Murdey Richard、Ishikura Yasuhisa、Matsushige Yuko、Hu Shuaifeng、Pascual Jorge、Truong Minh Anh、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Solar Energy Materials and Solar Cells Volume: 245 Pages: 111885-111885
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2022.111885
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optimized carrier extraction at interfaces for 23.6% efficient tin-lead perovskite solar cells (2022)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Otsuka Kento、Murdey Richard、Nakamura Tomoya、Truong Minh Anh、Yamada Takumi、Handa Taketo、Matsuda Kazuhiro、Nakano Kyohei、Sato Atsushi、Marumoto Kazuhiro、Tajima Keisuke、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Energy & Environmental Science Volume: -- Issue: 5 Pages: 000-000
  • DOI: 10.1039/d2ee00288d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mixed lead-tin perovskite films with >7 μs charge carrier lifetimes realized by maltol post-treatment (2021)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Truong Minh Anh、Otsuka Kento、Handa Taketo、Yamada Takumi、Nishikubo Ryosuke、Iwasaki Yasuko、Saeki Akinori、Murdey Richard、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 12 Issue: 40 Pages: 13513-13519
  • DOI: 10.1039/d1sc04221a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Understanding the Surface Characteristics of Tin-lead Perovskites (2022)
  • Author(s): Shuaifeng Hu
  • Organizer: The 32nd Symposium on Physical Organic Chemistry
• [Presentation] Interfacial Modifications for Efficient Tin-Lead Perovskite Solar Cells (2022)
  • Author(s): Shuaifeng Hu
  • Organizer: 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interface Modification Strategies Using Surfactants for 23.6% Efficient Tin-Lead Perovskite Solar Cells (2021)
  • Author(s): Shuaifeng Hu
  • Organizer: 第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [Presentation] Efficient Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells: Effects of Ammonium-Headed Surfactant (2021)
  • Author(s): Shuaifeng Hu
  • Organizer: 第48回有機典型元素化学討論会
• [Remarks] Synergistic Surface Modification
  • URL: https://doi.org/10.1002/adma.202208320
• [Remarks] Perovskite/Perovskite Tandem Solar Cells
  • URL: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c01001
• [Remarks] Long-term stability of Pb-free Sn-based PSCs
  • URL: https://doi.org/10.1038/s43246-022-00327-2
• [Patent(Industrial Property Rights)] 化学研究所 (2021)
  • Inventor(s): 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • Industrial Property Rights Holder: 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Acquisition Date: 2022
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 化学研究所 (2021)
  • Inventor(s): 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • Industrial Property Rights Holder: 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Acquisition Date: 2021