2018 Fiscal Year Annual Research Report
革新的物性制御を基盤としたビスマス太陽電池の探求と学理の確立
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18J20108
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
西久保 綾佑 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 光電変換 / 太陽電池 / 光センサ / ペロブスカイト太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに時間分解マイクロ波伝導度法（TRMC）という測定手法を用いた光伝導度評価から、硫化ビスマスが非常に高い光伝導度を持つことを突き止めている。しかしながらデバイス応用を考えると材料を薄膜化する必要があり、従来の薄膜作製手法では結晶サイズや膜平坦性、純度などを同時に高い水準で保つことが困難であった。そこで我々は、高品質な硫化ビスマス薄膜の作製プロセスを新規開発した（CASC法）。本手法は溶液塗布によるアモルファス膜作製と硫化水素雰囲気下でのアニールによる結晶化の2段階のプロセスから成り、結晶サイズ・平坦性・純度を同時に高水準で実現できる。この手法を用いて光センサを作製したところ、既存の成膜手法に比べ非常に高い感度が得られた。このように硫化ビスマスの光電変換材料としての高いポテンシャルを示すことができた。
また、近年報告が増えてきている有機ビスマスハライド系材料にも着目した。ビスマスのみならずアンチモンも対象に入れ、全40種の材料を実際にスピンコートにより作成し、材料スクリーニングを行った。その結果、2種類ほどの材料が特に高いポテンシャルを示した。さらに、条件を統一して太陽電池素子の作製も行った。すると、TRMCスクリーニングにおいて特に有望と判断された材料は他の材料群に比べ比較的高い効率を示し、TRMC測定の結果との相関が得られた。これまで多くのビスマス・アンチモン系材料が報告されてきたが、どれが特に有望であるのかを総合的に比較検討した例は今回が初めてである。ゆえに本研究で得られた知見は、今後の非鉛ペロブスカイトの研究において非常に有益な情報であるといえる。
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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
硫化ビスマス薄膜に関して、新規開発したCASC法と既報の複数の薄膜化手法を包括的に比較し、結晶サイズ・平坦性・純度が高い水準で実現されていることを実証できたことは本研究の重要なポイントである。過去と比較し単に性能が向上したのみならず、そのoriginを突き止めることも達成でき、scienceとして一定の成果が得られたといえる。さらに、本研究に関する論文を執筆し、比較的インパクトの高い学術誌であるThe Journal of Physical Chemistry Letterにおいて受理・出版されたことも、本研究の成果を顧みて上記の区分を選択した理由の一つである。
また、近年鉛・スズペロブスカイトの代替材料として研究されているビスマス・アンチモンハライド系材料を包括的に比較することに挑戦した。しかしながら、これらの材料ではいくつか異なる結晶構造のものが報告されており、各々の結晶構造においてその組成を構成するカチオンやアニオンの種類を変えていくと、その総数は約40種類にものぼる。それぞれの材料に関して参考文献をリサーチし、実際にサンプル作製から測定まで行ったことで、多くの情報を得ることができた。以上を踏まえ、本研究はおおむね順調に進展していると区分できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでTRMCを主軸として、光伝導度、および異種界面での電荷輸送に着目してスクリーニングを行ってきた。今後はこれらのデータベースの精度を向上すべく、複数の測定を組み合わせてデータの多角性を増す。吸収スペクトルからのバンドギャップ・電子遷移の評価、光電子収量分光(PYS)による価電子帯準位の評価を行う。太陽電池デバイスに関しては、これまでは一種類の素子構造に統一して作製・評価を行ってきたが、今後はそれぞれの材料に対して最適な素子構造を模索し、比較を行う。一つ一つの材料に関してこれらのデータを揃えるのには多くの労力を要するが、このような包括的なデータベースの作成によってこそ多角的な比較が可能となり、より良い材料を見出すことができると期待される。そうして絞り込んだ材料に注目し、太陽電池デバイスの構造を最適化することで、光電変換効率の向上を試みる。また、新たな系統の材料がないかも常にリサーチを行う。
次いで、これらのビスマス・アンチモン系材料における、電荷生成から界面における電荷輸送までのダイナミクスを調査し、その効率とkineticsを明らかにする。太陽電池の電荷ダイナミクスでは、励起・界面までの電荷移動・界面での電荷輸送といった複数の段階が存在し、いずれが律速段階になっているのかを知ることは重要である。ここではTRMC測定や過渡吸収分光といった時間分解測定を用いたアプローチを行う。これらの結果を鉛ペロブスカイトと比較することで、問題点などを突き止める。
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Research Products
(15 results)
