2020 Fiscal Year Research-status Report

Theoretical design of optimum composition of fluorine-based composite perovskite solar cells with moisture resistance

Research Project

Project/Area Number	19K05063
Research Institution	Kogakuin University
Principal Investigator	高羽洋充工学院大学, 先進工学部, 教授 (80302769)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ハライドペロブスカイト / 耐久性 / 密度汎関数法 / 安定構造 / フッ素系化合物 / 耐湿性
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、理論計算を用いて、フッ素系複合化ペロブスカイトの安定構造と電子構造を明らかにし、太陽電池として最適な電子物性をもつ化学組成を見出すことである。これまでに、本研究では、フッ素系ペロブスカイトの構造としては、B/Xサイト元素の多数候補の組み合わせ、およびそれらの複合化構造を想定し、多数の仮想的な化学組成を機械的に生成し、理論計算で網羅的に評価し、Gold Schmidt則を満たすフッ素系ハライドペロブスカイトの新構造をいくつかリストアップした。今年度は、フッ素系ハライドペロブスカイトと水分子との反応性について検討した。フッ素系ハライドペロブスカイトのバルク構造を切り出して表面構造モデルを作成した。構築した表面モデルに水分子を吸着させ、吸着エネルギーと吸着構造を密度汎関数法で計算した。その結果、フッ素系ハライドペロブスカイト状における水分子の吸着エネルギーは、フッ素系ではないハライドペロブスカイトと比べて格段に減少することが示された。これは、フッ素系ハライドペロブスカイトにおいて、耐湿性の発現が期待できることを意味している。水分子の吸着構造解析、電荷分布解析などをさらに実施し、そららの結果から、ハライドペロブスカイトのF原子と水分子のO原子に電子が局在化し、静電的な反発によって耐湿性が発現していることが明らかとされた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 種々のフッ素系ペロブスカイトの構造を作成し、安定構造を密度汎関数法で明らかにし、それらの表面構造モデルを作成した。また、水との相互作用計算を実施し、吸着エネルギー変化を明らかにした。その結果、水が表面に吸着し難いことを見出した。これは、当初の期待通りの成果である。また、反応パスの解析から、さらなる耐湿性をもつ組成が見つかる可能性もあるため、当初の計画以上に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	フッ素系ハライドペロブスカイトでは耐湿性が発現することが見出された。今後はさらに、水分子との反応性について詳細な反応パス解析を実施する。それをもとに、耐湿性発現のメカニズムと、耐湿性改善指針の提案をしていく予定である。
Causes of Carryover	コロナ禍による研究活動の自粛により差異が生じた。