Simplified device structures without charge transport layers for low-cost perovskite solar cells

Research Project

Project/Area Number	21K04684
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research Institution	Yokohama National University
Principal Investigator	迫村勝横浜国立大学, 大学院工学研究院, 講師 (20235237)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords	ペロブスカイト型太陽電池 / 光エネルギー変換 / 自己組織化膜 / 表面電位 / 走査プローブ法
Outline of Research at the Start	ペロブスカイトを光活性層とした太陽電池の多くは比較的高価な材料による電荷輸送層を含む積層構造からなる。本申請では光活性層が電極表面に直接結合した電荷輸送層フリーな構造を基本とした低コスト、高効率なデバイスを作製する。研究は以下の①②③のステップでの実施を計画している。 ①電極表面に分子鎖で結合したペロブスカイト結晶層を形成するための材料選択及び自己組織化膜（SAM）とペロブスカイト膜の成膜条件の最適化 ②仕事関数や内蔵電位などのデバイス内電子特性のSAMによる制御の検討及びペロブスカイト層と電極との電気的マッチングの最適化 ③プリンタブルデバイスにも応用可能なラミネート封止による上部電極形成法の検討
Outline of Annual Research Achievements	令和４年度は前年度に引き続き、ITO透明アノード電極上への自己組織化膜（SAM）及びペロブスカイト膜の形成条件の検討を行い、ペロブスカイト太陽電池に適した結晶状態を有するペロブスカイト膜をSAM修飾ITO表面上に形成することに成功した。末端基にNH2を有するシラン化合物として前年度は3-(2-Aminoethylamino)propyltrimethoxysilane（AEAPTS）を用いたが、今回は鎖長が短く-NH-を含まない3-Aminopropyltrimethoxyxilane（APTS）を用いてSAM形成を試みた。SAM形成後の表面電位変化についてケルビンプローブ顕微鏡（KFM）を用いて測定した結果、APTS修飾ITO電極の仕事関数は約4.45 eVと見積もられた。続いてSAM末端基を酸処理してNH3+とした後、KFM測定を行ったところ、APTS修飾ITOの仕事関数は4.76 eVまで増加した。これはAEAPTS修飾ITOを上回る結果であり、APTS修飾ITO電極をデバイスに用いることで太陽電池を効率良く機能させるために十分な大きさの内蔵電場が得られることが示された。このようにして得られたAPTS修飾ITO上ではアモルファス状構造のヨウ化鉛膜がスピンコート形成された。このことはSAMのNH3+末端とヨウ化鉛との強い相互作用を示唆している。一方、ヨウ化鉛とヨウ化メチルアンモニウムを混合した前駆体溶液によるスピンコートを行ったところAPTS修飾ITO表面上に均一な結晶構造のペロブスカイト膜を形成することに成功した。以上の結果からSAM末端基との相互作用でペロブスカイト層を電極にアンカーし、なおかつ良好な結晶状態の膜が得られていることが示唆された。今後はペロブスカイト膜の製膜条件のさらなる最適化とこれを用いた太陽電池デバイス化について引き続き検討を行う。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason プロトン化したSAM末端基（NH3+）とヨウ化鉛との相互作用が強すぎたため、当初はSAM修飾ITO上での良好な結晶状態のペロブスカイト膜形成がうまくいかず、本課題の計画は難航した。多少時間がかかったが、SAM分子の種類を変え、スピンコートの条件を検討しなおすことで、令和４年度内には均一な結晶構造のペロブスカイト膜を得ることに成功した。 SAMとペロブスカイト膜の界面における強い相互作用は、ペロブスカイトの結晶成長において負の作用もありうるものの、本来の目的であるSAMを介したペロブスカイト層のアンカー、安定化を実現する上では、強い相互作用を示した今回の結果はポジティブな傾向であるとも言える。多少の遅れはあったもののデバイス化実現の準備段階としては、おおむね、目的を達成できていると言える。このように本課題の研究は、これまでのところ順調に進展してきたと考えている。
Strategy for Future Research Activity	本研究課題のこれまでの研究で、良好な結晶状態を保ち、なおかつSAM末端基との大きな相互作用で結ばれたペロブスカイト層の形成については、ひとまず計画通り達成できたと考えられる。しかしながらSAM末端基との強い相互作用はペロブスカイト層の結晶成長を阻害する要因にもなり得るため、ほどほどの強さに制御する必要がある。結晶成長の速度やSAM末端基との相互作用の強さを制御しながらペロブスカイト膜の形成条件のさらなる最適化を目指すために、具体的には現在の製膜条件をベースに溶液の濃度、スピン速度、アニール温度の諸条件による結晶状態への影響を系統的に調べ、最適な製膜条件を探索することを予定している。そのようにして得られたペロブスカイト層を用いてデバイス化を行い、太陽電池特性について検討を行う。