2021 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 / 無鉛 / ビスマス / 光物性 / 真空蒸着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉛を含まず環境適合性の高い金属カチオンによって構成される等方性（三次元）ペロブスカイト結晶として、耐熱性に優れる全無機組成からなる結晶材料を用いることに特化し、溶液晶析法（桐蔭横浜大、電気通信大）と真空蒸着法（東大）によって結晶を高質化するための成膜方法を検討した。
ペロブスカイトのＡサイトカチオンをCs、Ag、Ｂサイトの金属をBi、Ti、Snなどの2価／3価イオンに置き換え、結晶構造が許容因子の点で安定なものを合成した。Tiペロブスカイトは合成原料が不安定で光物性の再現性が乏しく、Ti 系に代わる新たな材料として Pd 系ペロブスカイトの合成と評価も実施したが、研究を注力したのはBi、Ag、Iからなるペロブスカイトである。ダブルペロブスカイトとしてCs2AgBiBr6の成膜と素子の評価を実施した(論文出版)。また、ペロブスカイト類似のRudorffites型結晶のAg2BiI5を溶液成膜法で高品質化し、電子輸送層としてSnO2（桐蔭横浜大）並びにTiO2(電通大)を用いて光電変換素子を作製した。ここで、TiO2についてはその表面を各種材料により化学修飾し、Ag2BiI5からの電荷移動特性を改善し光発電特性を向上させる方法を検討した。Ag2BiI5光電変換素子の特性を太陽光下と屋内照明下の2つの条件で評価した結果、電子輸送層にはSnO2、正孔輸送層にp型の導電性高分子を用いる構成が、光発電の出力電圧を高める点で良いことを見出した。
真空蒸着法においては、新しい非鉛ペロブスカイト材料として，亜鉛添加臭化スズ化合物CsZnxSn1-xBr3の真空蒸着法による多結晶薄膜作製プロセスについて検討し、蒸着で成膜したCsZnxSn1-xBr3多結晶薄膜の品質と光物性に関する評価を行った。
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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
溶液晶析法で多くのAg-Bi 系ヨウ化物を合成し光物性を比較した結果からRudorffites 型のAg2BiI5(バンドギャップ1.85eV)を光電変換の高効率化の候補として絞りこむことができた。Ag2BiI5の多結晶膜と組み合せる正孔輸送材料として、本研究のために合成したチオフェン系共役高分子(無ドープ)が市販の PTAA、 P3HT、 spiroOMeTADのどれよりも高電圧出力の点で優れる傾向を確認した。また、ダブルペロブスカイトCs2AgBiBr6(バンドギャップ2.2eV)を用いるセルでは正孔輸送材料にクロロフィル誘導体の薄膜を組み合わせる方法で、光電変換に１V近い電圧出力を取り出すことができた(論文出版)。Ag-Bi 系ペロブスカイトの正孔輸送に用いたチオフェン系共役高分子が出力電圧を高める可能性については、鉛系の全無機組成のCsPbI2Brを用いたセルにおいてもその効果を実証した（論文出版）。
真空蒸着法でも進展があり、CsBr、SnBr2、ZnBr2を蒸着源とする三元共蒸着によって新材料のCsZnxSn1-xBr3多結晶の成膜に着手し、ZnがSnを置換してBサイトに入ること、そしてx値が0.04以下の範囲ではZn添加量の増加とともに結晶のピンホールが減少して膜質が向上する良い効果を見出すことができた。このほか一般式A3Bi2I9の構造から成るペロブスカイトの光物性を調査した論文も出版し、論文活動は活発であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ag-Bi 系ペロブスカイトの課題は光発電の出力電圧(開回路電圧)の向上である。そのために電荷再結合を抑制する欠陥密度の低減が必要であることから、この改善に向けた結晶成膜の質を向上、また結晶粒子界面の組成を改質する有機、無機の化合物を使ったドーパント技術を検討する。気相法（蒸着法）による成膜では溶液法と違う制御によって結晶の質を高めることが目的であり、この目的に適した組成をいくつか選び出して蒸着法のメリットを実証していく。また電子輸送材料と正孔輸送材料の組み合わせを最適化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。真空蒸着法では、CsZnxSn1-xBr3の多結晶の安定性を確認するとともに、真空蒸着CsZnxSn1-xBr3多結晶を用いるセルの作製に着手する。
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