2019 Fiscal Year Annual Research Report
Efficiency and durability enhancement of solar cells using lead-free high dimensional halide perovskite materials
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19H05636
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| Research Institution | Toin University of Yokohama |
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Principal Investigator |
宮坂 力 桐蔭横浜大学, 医用工学部, 特任教授 【東京大学先端科学技術研究センター・フェロー】 (00350687)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 高志 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (60205557)
早瀬 修二 電気通信大学, i－パワードエネルギー・システム研究センター, 特任教授 (80336099)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト / 光電変換 / 変換効率 / 無鉛 / 光物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉛に代わる金属としてビスマスと銀を混合カチオンとするオール無機組成の三次元ペロブスカイト結晶の薄膜を溶液晶析法によって成膜し、そのモルホロジーをSEMで評価し、また光学特性と半導体としてのバンドギャップを解析した。とくに、AgBi2I7 の組成の結晶膜について、DMF とDIMSOの混合系溶媒を用いて溶媒揮発速度（晶析速度）を制御することによって、空隙のない比較的緻密なモルホロジーを成膜する方法を最適化した。また、Ag-Bi系ペロブスカイトについて合成原料のAgIとBiI3の化学量論比を代えた各種のペロブスカイトの溶液成膜を実施し、光物性の比較検討を行った。また、気相法合成（真空蒸着法）においては、Ti（IV）系ペロブスカイトとして、Cs2TiBr6の合成を実施した。しかし、目的の組成のペロブスカイトを高純度で得るにはTi(II)の混入などを抑制する新しいプロセスを検討する必要性があると判明した。Ag-Bi系ペロブスカイトに組み合わせる正孔輸送材料の最適化を進め、これまでに使用したP3HTに代えて、ドーパントなしで機能する導電性高分子のいくつかを取り上げて光電変換特性を比較検討した。高分子を含めた有機系正孔輸送材料を検討するなかで、鉛系ペロブスカイトとの組合わせではあるがポルフィリン系有機分子が有用である可能性を見出し、論文発表を行った。無機カチオンにCsを用いるペロブスカイトとしてCs2AgBiBr6などのダブルペロブスカイトの薄膜合成に着手した。また、鉛系のCsPbX3（X=I, Br）の結晶薄膜についても光物性評価と素子の作製を行い、正孔輸送材料としてドーパントなしのチオフェン系導電性高分子がP3HTと同等以上の効率で機能することを見出した。この高分子の誘導体の1つは、Ag-Bi系ペロブスカイトにおいてもP3HTと同等以上の効率で使用できる可能性を見出した。
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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
Ag-Bi系ペロブスカイト結晶について、晶析の原料であるAgIとBiI3の化学量論比が結晶の光物性と光電変換特性に与える影響を調べる中で、結晶膜に含まれる残存BiI3が光電変換特性を改善する効果を持つことを見出し、これによる素子の高効率化を論文に発表した。気相法（真空蒸着法）で合成するTi（IV）系ペロブスカイトのCs2TiBr6についてはTi(II)の不純物混入による不安定性の問題を明らかにすることができた。無鉛ペロブスカイトに組み合わせる正孔輸送材料の選択も進み、これまで使用していたP3HTに代わりドーパントなしで機能する導電性高分子のいくつかを見出すことができた。さらにCs2AgBiBr6などのダブルペロブスカイトの薄膜合成にも着手した。また、鉛系であるが同じくCsを用いるオール無機組成のCsPbX3（X=I, Br）の結晶薄膜についても光物性評価と素子の作製を行いドーパント無しの導電性高分子がP3HTと同等以上の効率で機能することを見出した。これらの成果について、国内の学会と国際学会等で報告し、研究の進捗状況を広く紹介している。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ag-Bi系ペロブスカイトにおいては光物性を高めるために、電荷再結合の抑制につながる欠陥密度の低減が必要であり、この改善に向けて結晶の質を高める結晶組成の改良方法を検討する。具体的には、結晶中の格子構造の純度の解析を行い、不純物の低減につながる晶析方法の検討を進める。素子の変換効率を高めるための課題は開回路電圧の向上であり、このためには電荷輸送層との界面に生じる欠陥を減らすPassivationに有効な有機、無機のドーパントを検討する。また界面構造の改善に適した電荷輸送材料の新材料を探索して再結合による電圧損失を低減する高効率化開発を進める。Ti系ペロブスカイトはTi(IV)の酸化数の不安定性に本質的な問題があることからAg-Bi系とSn系の合成と製膜に研究をシフトし、オール無機組成の結晶については気相法（蒸着法）による成膜を併用した結晶の高質化を試みる。
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