2021 Fiscal Year Research-status Report
High-efficient planar perovskite solar cells using all vapor phase process
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20K05408
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| Research Institution | Ishikawa National College of Technology |
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Principal Investigator |
瀬戸 悟 石川工業高等専門学校, 電気工学科, 教授 (50216545)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 悟 石川工業高等専門学校, 電気工学科, 教授 (40249777)
鈴木 和彦 北海道科学大学, 工学部, 教授 (30226500)
荒木 秀明 長岡工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40342480)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト太陽電池 / 気相法 / パッシベーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代太陽電池として注目されている有機・無機ペロブスカイト太陽電池の作製法の主流は液相法であるが、本研究では気相法でペロブスカイト太陽電池を作製し、高効率化を実現することを研究目的としている。
気相法で作製したペロブスカイト太陽電池の高効率化を阻む大きな要因の一つが開放電圧が液相法で作製したものと比較して低いことにある。その原因として、ペロブスカイト膜表面に形成される表面準位の影響があげられる。そこでこの表面準位を不活性化（パッシベーション）するためにPCBMをスピンコートして表面準位のパッシベーションを試みた。実験で用いたデバイス構造は、FTO/CuPc/MAPbI3/PCBM/C60/BCP/Agの逆型プレーナー構造である。比較のためにPCBMをスピンコートしないデバイスも作製した。またPCBM濃度の異なるPCBM溶液（5～20mg/mLのクロロベンゼン溶液）の差異についても実験を行った。
その結果、PCBMをスピンコートすると開放電圧が約0.08V上昇することを確認すた。フォトルミネッセンス測定からPCBMをスピンコートしたペロブスカイト膜ではPCBMをスピンコートしないペロブスカイト膜と比較して発光強度が強くなること、さらに発光ピークが短波長側にシフトすることが観測された。これらの実験結果はペロブスカイト膜表面の欠陥がパッシベーションされたことによる効果として開放電圧の上昇が矛盾なく説明できることが分かった。なお、これらの結課は、22021年10月に開催された第1回日本太陽光発電学会学術講演会、同年12月の日本MRS年次大会、2022年春季応用物理学会学術講演会において発表した。
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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
研究計画ではホットウォール装置に高周波を印加してペロブスカイト太陽電池の平坦性を向上させ、その結果として開放電圧、短絡電流、曲線因子を向上させる予定であったが、高周波発生装置が故障し、実験計画の変更を余儀なくされた。そこでPCBMによる表面欠陥のパッシベーション効果で開放電圧の向上を試みる実験を行った。実験の結果、PCBMをスピンコートすることによってペロブスカイト膜の表面に存在する欠陥を不活性化し、開放電圧の向上を確認することができた。また太陽電池の耐久性に関してもPCBMのスピンコートによって改善することも確認できた。ただし、PCBMは高価であり、しかもプロセスが液相法のスピンコートであることは気相法での高効率化という当初の研究計画とは異なるが、表面欠陥のパッシベーションが気相法で作製したペロブスカイト膜においても変換効率の向上に有効であることが確認されたことは大きな成果であると考える。
気相法で変換効率20％を達成するには、さらなる開放電圧の上昇と短絡電流の向上が必要である。近年ペロブスカイト太陽電池を高性能化するホール選択的自己組織化単分子膜(SAM)形成試薬として2PACzやMeO-2PACzが注目されている。そこで我々の研究においてもこれらの試薬、特に室温大気でも安定性を有するMeO-2PACzを使用して変換効率の改善を試みる実験を計画している。
いずれにしてもパッシベーション技術によって気相法をベースとしたペロブスカイト太陽電池の作製でさらなる変換効率の改善に目途がついた。このことからも研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度のPCBMをペロブスカイト膜にスピンコートすることでペロブスカイト膜の粒界にPCBMが浸透して表面の結晶欠陥をパッシベーションすることが確認できた。このPCBMによるパッシベーションは電子の輸送特性を改善するものと考えている。今後はこのパッシベーション技術に加えて正孔の輸送特性と向上させるためにホール選択的自己組織化単分子膜(SAM)MeO-2PACzを塗布したITO基板あるいはＦTO基板を用いた実験を実施する。さらにヨウ素の一部を塩素に置換したMAPbIxCl1-x膜のキャリア輸送特性の優れた特性を組合わせて変換効率20％を目指す研究を進める予定である。
一方、ホットウォール法による真空一貫プロセスを行うために電気炉の製作を現在行っており、夏以降には実験を進める予定である。この真空一貫プロセスにおいて上記パッシベーション技術を如何に取り込んでいくかを現在検討しているが、C60を蒸着ではなくC60蒸気の熱処理に近い方法でペロブスカイト膜のパッシベーション効果が期待できるのではないかと考えている。
本研究において最終目標である気相法の変換効率20％実現して、本研究で発展させた気相法がペロブスカイト太陽電池の大面積化の基盤技術となることを実証する。
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| Causes of Carryover |
購入予定の成膜コントローラ（70万円）はメーカーの半導体部品の不足により、入荷の見込みが立たず、現在購入を延期している。メーカーと連絡を取り、入荷見込みが立てば購入する予定でいる。また現在ホットウィール装置の真空ゲージが故障しているために真空ゲージの購入も予定している。
国際会議の出張費が執行できない状況であるが、令和4年度はコロナ感染状況を落ち着き、対面での国際会議および国内会議も増えていきているために旅費は執行できると考えている。
その他、今年度の実験でパッシベーション技術が変換効率の向上に有効であることが確認できたのでパッシベーションに利用する試薬を追加で購入する予定である。
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