2018 Fiscal Year Annual Research Report
分子動力学計算に基づくペロブスカイト太陽電池における有機カチオンの機能の解明
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18J21325
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
浦谷 浩輝 早稲田大学, 先進理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト太陽電池 / ポーラロン / 分割統治法 / 密度汎関数強束縛法 / 分子動力学法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体中の正電荷または負電荷は周囲の構造変形を伴う。このような構造変形を伴った電荷はポーラロンと呼ばれ、その性質の理解は太陽電池をはじめとした各種デバイスにおいて重要である。近年、変換効率の高い太陽電池として、鉛ハライドペロブスカイト(LHP)を用いたペロブスカイト太陽電池が注目されている。高い効率が得られる理由として、LHPにおける正電荷および負電荷キャリアの寿命や拡散距離が極めて長いという性質が挙げられており、この要因を明らかにするためLHPにおけるポーラロン形成過程の理解が求められている。本研究では、系の電子状態を量子化学的に解くことで原子に働く力を求め、それをもとに原子の運動をシミュレートする量子的分子動力学法により、LHPにおけるポーラロン形成過程を追跡した。LHPにおけるポーラロン形成は数nmにわたる大きな空間的スケールを持つ現象であることから、同程度の大きさのモデル系を対象に、大規模系に対応した量子化学計算手法である分割統治型密度汎関数強束縛法を用いて計算を行った。計算対象のモデル系は最も代表的なLHPであるMAPbI3 (MA: CH3NH3)とした。系に正電荷または負電荷が存在する状況を再現するため、系全体の電荷を+1または-1としてシミュレーションを実施した。MAPbI3は、形式的にPbI3-と表される骨格構造と、有機分子カチオンであるMA+からなる。ポーラロン形成過程のシミュレーションにより、PbI3-部分とMA+部分の双方について特徴的なダイナミクスが観察された。以上の結果は、LHPにおける電荷キャリアの性質について微視的理解を与えるものであり、今後の材料設計の指針を得るための基盤となりうる知見である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画では、大規模系でのシミュレーション実施に向けた各種準備に第1年度を充てるものとしていた。計算に用いた分割統治型密度汎関数強束縛法は経験的パラメーターに基づく近似計算手法であるため、計算に先立って系の性質をよく再現するパラメーターを決定する必要があり、主にこれを行う予定であった。また、その他各種の計算条件を決定するためのテストを実行することも予定していた。しかし、パラメーターの決定および各種テストが予定よりも早期に完了したため、当初の計画を前倒しし、実際に大規模系におけるポーラロン形成過程のシミュレーションを実施した。さらに結果の解析も行い、研究実績の概要に述べた通り、各部分における特徴的な構造ダイナミクスの観察およびその重要性の評価を行い、材料設計に資する知見が得られた。当初の研究計画を達成できたので、第2年度以降に行う予定であった内容（系の組成に対する依存性の解析）に向け、今回扱ったMAPbI3以外のLHPについても上記手法で取り扱うためのパラメーターの拡張に着手した。さらに、当初の研究計画を超えて電荷キャリアだけでなく励起子についても取り扱うことを視野に、非断熱遷移の取扱いに向けた計算プログラムの拡張に着手した。また、励起エネルギーを原子ごとに分割して評価する手法を開発・実装したので、励起子の空間的分布の解析への応用を試みている。以上から、研究計画に予定した事項については完了し、追加的な進捗と今後の見通しも得られていることから、研究は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度は、LHPにおけるポーラロン形成のメカニズムを解明する目的で、代表的な組成のLHP（MAPbI3）1種類をモデル系として選び、シミュレーションおよび解析を実施した。2019年度は、得られた知見を材料設計指針確立に活かすことを目的に、系の組成を変化させて同様なシミュレーション・解析を実施し、結果がどのように変化するかを体系的に比較する予定である。(L)HPは一般式ABX3で表され、Aとして1価カチオン、Bとして2価金属、Xとしてハロゲンが用いられる。本研究では、AとしてMAをはじめとする有機カチオンの他、実験的に用いられた実績のあるCs+およびRb+を考慮することを目指す。BとしてはPbとSnの2種類を、XとしてはCl、Br、Iの3種類をそれぞれ考慮することを目指す。現在、当該シミュレーションに必要なパラメーター構築に取り組んでいる。また、研究計画では予定していなかったが、励起子の緩和過程についても同様な分子動力学シミュレーションを実施することを新たに計画している。これには非断熱遷移の取扱が必要となるが、これに対応するプログラム拡張にはすでに着手しており、2019年度中の完成を見込んでいる。当該年度中に予備的な計算まで行い、その後の本格的なシミュレーションに向けて必要な準備を整える計画である。
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Research Products
(1 results)
