| Project/Area Number |
24H00484
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
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| Research Institution | The University of Osaka |
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Principal Investigator |
佐伯 昭紀 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (10362625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石割 文崇 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 准教授 (00635807)
西久保 綾佑 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10909188)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2026)
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| Budget Amount *help |
¥47,970,000 (Direct Cost: ¥36,900,000、Indirect Cost: ¥11,070,000)
Fiscal Year 2026: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
Fiscal Year 2025: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000)
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| Keywords | デジタル・トランスフォーメーション / 鉛ペロブスカイト太陽電池 / 自動自律測定 / 光電変換材料異種界面 / パッシベーション / 機械学習 / ロボット / 過渡分光 |
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| Outline of Research at the Start |
本課題では、代表者が最近独自開発した自動測定装置（時間分解マイクロ波伝導度、発光吸収分光、光学顕微鏡）を駆使して、次世代太陽電池として期待されている鉛ハライドペロブスカイト太陽電池（PSC）中の異種界面化学を解明することを目的とする。特にPSCの高効率化・高耐久化に効果のあるパッシベーションプロセスや電荷輸送層といった異種界面における光物理化学過程を明らかにし、多くのデータに裏付けされた統一的解釈を試みる。また、評価法のさらなる開発を通じて、蓄電池の電極材料や固体触媒などの化学エネルギー変換材料にも適用できる一般性を確立して革新的研究を展開する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、代表者が最近独自開発した自動測定装置（時間分解マイクロ波伝導度、発光吸収分光、光学顕微鏡）を駆使して、次世代太陽電池として期待されている鉛ハライドペロブスカイト太陽電池（PSC）中の異種界面化学を解明することを目的とする。特にPSCの高効率化・高耐久化に効果のあるパッシベーションプロセスや電荷輸送層といった異種界面における光物理化学過程を明らかにし、多くのデータに裏付けされた統一的解釈を試みる。また、評価法のさらなる開発を通じて、蓄電池の電極材料や固体触媒などの化学エネルギー変換材料にも適用できる一般性を確立して革新的研究を展開する。
本年度は、代表者が最近開発に成功した独自の自動測定装置と機械学習も組み合わせたDX評価解析を用いることで、現状複雑で解釈不可能なエネルギー変換材料の異種界面化学を解明することを目指した。特に、光電変換素子の性能と安定性を大きく向上できるパッシベーション分子として独自の表裏２面性パッシベーション分子（PM）を設計合成し、鉛ペロブスカイト太陽電池の性能と安定性向上を実証した。第１世代PMであるインデノフルオレンπ平面ユニットの表裏に、立体障害の大きい疎水基と小さい親水基、もしくはその立体障害を逆転させた分子を合成した。表裏の無い分子（anti体）と有る分子（syn体）でマクロ物性の接触角を大きく変調できただけでなく、各種過渡分光測定から電荷移動過程を直接観察し、素子性能向上の機構を明らかにした。さらに、第2世代PMとして他の２面性骨格でもその汎用性を実証し、新たな未踏化学空間の開拓に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
従来のD-A-D型パッシベーション分子はπ共役面の上下に対して同一の置換基（アルキル鎖など）を有しているため、表裏の概念はない。しかし、ペロブスカイト活性層とホール輸送層（HTL）の異種界面では有機/無機、電荷輸送の極性、エネルギー準位のいずれの観点からも明確に上下の区別が存在する。そこで、代表者らは新たなコンセプトの表裏二面性を有するD-π-D型パッシベーション分子を設計合成し、ペロブスカイトとの異種界面の詳細とPSC素子評価を行った。両端のトリフェニルアミンD基の窒素ローンペアがペロブスカイトのハロゲン欠陥に配位してパッシベーションし、πコアのインデノフルオレン基には立体障害が小さく疎水性のフェニル（Ph）基もしくは溶解性を付与する親水性TEG（トリエチレングリコール）基を有する。Anti体とSyn体を合成しペロブスカイト層表面に薄く塗布したところ、水の接触角が大きく変わったことから立体化学を変調した分子による界面状態のマクロな物性制御に成功した。さらに、2次元微小角入射XRD測定から、Syn体はペロブスカイト表面の過剰PbI2を選択的に除去し、ごく表面のペロブスカイト配向を変化させる特異な現象が発現した。これらにより無処理試料とAnti体では19%のPb-PSC変換効率を、Syn体で20%へ向上させることを見出した。さらに、上記とは反対の「立体障害の大きい疎水性のアルキル鎖」と「立体障害の小さいフェニルTEG（テトラエチレングリコール）」を有する第２世代パッシベーション分子、さらにはカルボキシ基を有する２面性トルキセンパッシベーション分子とトリプチセン分子でも同様の合成・評価・検討を行ったところ、いずれも鉛ペロブスカイト太陽電池の性能と安定性を向上させるのに２面性分子が有効であることを実証し、本課題の異種界面化学の知見と分子空間を広げることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに薄膜や粉末半導体の光電変換性能を高速かつ高精度に実験スクリーニング可能な、自動TRMC（time-resolved microwave conductivity）測定装置の開発に成功している。本システムはロボット、TRMC測定部、光吸収・発光分光システムおよび光学顕微鏡部から構成され、１サイクル約5分で測定可能なハイスループットシステムである。本装置を用いてCs-Bi-Sb-I系太陽電池の576条件のプロセスを検討し、当初0.38%だった変換効率（PCE）を2.36%まで向上させることに成功した。本課題ではこの自動評価装置をさらにアップグレードし、より多角的な計測と解析ができる世界優一最高性能のシステムを開発していく。
また、研究室レベルでの小面積太陽電池素子作製には、通常スピンコート法が用いられる。しかし、大面積素子ではブレードコートなどが用いられ、プロセスによって大きく膜物性が変化する鉛ペロブスカイト太陽電池では小面積プロセスの知見をそのまま用いることができない。さらに大面積塗布法では溶液の流量・基板の速度・温度などの成膜パラメーターを正確に制御する必要がある。本課題では、大面積塗布にも適応可能なプロセスでの界面化学を明らかにすべく、徹底的なデータモニタリングや機械学習（ML）を用いてアプローチしていく予定である。MLに関連して代表者は世界に先駆けて高分子とフラーレンもしくは非フラーレンからなるBHJ型OPVのMLモデルを報告している。さらに、独自記述子を使った解釈可能なモデル構築、仮想的に生成した失敗データを取り入れたML予測信頼度の向上、AFM画像のMLモデルの構築といった新たな試みを初めて報告している。本課題では、これらの独自のMLモデルを利用しつつプロセスインフォマティクスを深化させ、ペロブスカイト太陽電池の異種界面化学にアプローチする。
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