2015 Fiscal Year Research-status Report
ペロブスカイト太陽電池のスピン形成・電荷蓄積の直接観測と特性向上
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15K13329
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
丸本 一弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (50293668)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾込 裕平 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 助教 (10718703)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト太陽電池 / 電子スピン共鳴 / ミクロ特性評価 / 素子動作機構 / 素子劣化機構 / 電荷蓄積 / ドーピング効果 / 電荷状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電子スピン共鳴（ESR）を高効率ペロブスカイト太陽電池に適用して分子・原子レベルでのミクロ特性評価を行い、ペロブスカイト太陽電池研究で現在大きな問題の一つとなっている素子の本質的な劣化機構をミクロな観点から解明する。そして、この劣化機構に基づいて素子構造の改良を行い、更なる素子特性の向上を実証するとともに、耐久性の大幅な向上を目指し、実用化に貢献する。
本年度は、素子中の電荷蓄積状態の解明のため、素子構造に用いられている積層膜試料を作製し、ESR研究を進めた。素子構造は透明負極電極ITO/緻密TiO2/多孔質TiO2/鉛ペロブスカイト（CH3NH3PbI3）/ｐ型半導体Spiro-OMeTAD/正極電極Auである。試料として、CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTADおよび多孔質TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTADの積層膜とSpiro-OMeTAD薄膜を用いた。光誘起ESR測定を行い、電荷蓄積状態を研究し、Spiro-OMeTAD薄膜におけるLi-TFSI塩の添加効果を解析した。
Spiro-OMeTAD薄膜にLi-TFSIを添加することにより、明瞭なESR信号が暗状態で観測され、未添加の場合と比較してスピン数が２桁以上増加した。従って、Li-TFSIは高いドーピング効果を持つことが微視的な観点から立証された。疑似太陽光照射下で、Spiro-OMeTAD（Li-TFSI添加有）薄膜とCH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD（Li-TFSI添加有）積層膜のESR信号は単調に増加した。過渡応答特性の解析により光照射下でのドーピング濃度の増加と界面電荷分離・再結合に由来したスピン数の増加・減少を観測した。この信号のスペクトル解析により電荷状態の解明を行い、光生成スピンの運動性を立証した。
以上の成果については学術論文に投稿準備中である。
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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
本年度は、素子中の電荷蓄積状態の解明のため、素子構造に用いられている積層膜試料を作製し、光誘起ESR法を用いて素子材料中における電荷蓄積状態を解明することを計画し、達成できた。以下に、達成出来た点の要点を簡潔に述べる。
ESR測定が可能なCH3NH3PbI3/Spiro-OMeTADおよび多孔質TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTADの積層膜とSpiro-OMeTAD薄膜の作製を行った。疑似太陽光照射下で、材料中の電荷蓄積を精密に評価し、その信号の起源がｐ型半導体正孔輸送材料Spiro-OMeTADに由来することを同定した。そして、Li-TFSI塩添加による効果を明らかにし、Spiro-OMeTAD薄膜における著しいドーピング効果や、CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD積層膜における光生成電荷の増強と再結合を見出した。更に、光生成電荷が運動性を持つことを微視的な観点から立証することが出来た。
また、ペロブスカイト太陽電池の光誘起ESR研究にも着手した。室温測定では、積層膜試料と同様に、Spiro-OMeTAD中のラジカルカチオンに由来する光誘起ESR信号の観測を行った。また、素子特性とESR特性の同時測定も行い、疑似太陽光下で、スピン数の増加と短絡電流の増加の相関や、スピン数の増加と開放電圧の減少の相関について観測することが出来た。TiO2やCH3NH3PbI3中のスピンは低温でしか観測出来ないことが報告されている。現在、低温測定が行えていないので、光照射下でのTiO2やCH3NH3PbI3中の電荷蓄積については未解明であり、今後明らかにする予定である。これらの結果を踏まえて、素子で観測された素子特性とESR特性の相関の機構についても解析する予定である。
以上の研究成果については、学術論文に投稿準備中であり、今後の学会や研究会でも報告予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は、平成27年度の研究を発展させると共に、低温におけるESR測定も用いて、以下のESR研究を進める。
疑似太陽光照射下での素子動作時に、ESR信号と素子特性を、同一素子を用いて同時に測定する。電子バッファー層や正孔輸送層などの素子作製条件に電荷蓄積がどのように依存するのか調べる。各層の作製方法や素子構造を変えた詳細な素子のESR測定と、積層膜試料も用いたESR信号の解析により、電荷蓄積が生じている分子種・原子種とその箇所をミクロな観点で解明する。そして、その電荷蓄積と素子特性の光劣化とに相関は有るのかを明らかにし、素子劣化機構の解明を行う。
また、これらの素子劣化機構のミクロ解明により得られた高効率長寿命な素子の作製指針に基づいて素子開発を行い、素子構造の改良による素子性能向上の実証と素子耐久性の大幅な向上を目指す。薄膜内や積層膜界面におけるスピン形成・電荷蓄積を減少させるため、電子バッファー層、ペロブスカイト層、正孔輸送層の製膜方法の最適化、鉛の錫への置換などのペロブスカイト結晶構造の最適化、正孔輸送層材料の最適化などを行い、素子構造を改良し、長寿命化する。
以上の異なる素子作製法や素子構造を用いた高効率ペロブスカイト太陽電池の系統的な研究により、素子中のスピン形成や電荷蓄積の有無を調べ、それらの箇所を分子・原子レベルで明らかにする。また、それらのスピン形成や電荷蓄積と素子特性との相関を明らかにし、高効率ペロブスカイト太陽電池の本質的な素子劣化機構を解明する。そして、高特性高安定な素子の作製指針をミクロな観点から得て素子改良を行い、素子効率と耐久性の向上を目指す。
以上の研究について、研究分担者・連携研究者の九州工業大学早瀬グループと共同研究を行い、良質な太陽電池作製を進める。
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| Causes of Carryover |
研究分担者に配分した物品費において、予定より安価に研究消耗品が購入できたので、未使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究分担者が、次年度に研究消耗品を購入する予定である。
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[Journal Article] Two-Dimensional Coherent Charge Transport in Highly Ordered Conducting Polymers Doped by Solid State Diffusion2016
Author(s)
K. Kan, S. Watanabe, K. Broch, A. Sepe, A. Brown, I. Nasrallah, M. Nikolka, Z. Fei, M. Heeney, D. Matsumoto, K. Marumoto, H. Tanaka, S. Kuroda and H. Sirringhaus
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Journal Title
Nature Materials
Volume: in press
Pages: in press
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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