2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of Charge-Transporting Materials for Efficient Tin-Based Perovskite Solar Cells
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20K22531
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2023-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト太陽電池 / 単分子膜 / 電荷回収 / マルチポッド / 変換効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ペロブスカイト太陽電池の高性能化には、光吸収材料であるペロブスカイト層の開発および作製法の改良に加えて、そこで光吸収により生成する電荷を効率的に回収する半導体材料の開発も重要となっている。従来の正孔回収材料(HTM)が10－200 nmのバルク層として用いられてきた。しかし、HTM自体の厚膜による光吸収が取り出せる電流密度を低下させてしまい、また、この厚膜のモルフォルジーの安定性がデバイス自体の低い熱安定性の原因となっている。さらに、従来のバルクHTM材料では正孔移動度が比較的低いため、電気伝導度を向上するためには p 型のドーパントやLiTFSIなどの添加剤を必要とする。しかし、これらの添加剤の高い吸湿性と各イオンのペロブスカイト層への遊泳が、ペロブスカイト層へのダメージとなり，太陽電池デバイスの耐久性を低下させている。そこで、ペロブスカイト太陽電池デバイスの性能を向上させるためには、優れた添加剤フリー正孔回収材料の開発が重要となる。
本研究では、ペロブスカイト太陽電池の発電メカニズムを考えると、必ずしもバルクの厚膜HTM層を必要としないことに着眼した。すなわち、選択的に正孔を回収するために必要な電子構造をもつ分子を設計し、これを単分子層として透明導電性基板上に被覆率よく成膜できれば、これまでバルクの有機半導体材料の欠点に由来していた導電性や耐久性などの課題が解決でき、太陽電池の特性をさらに向上できるものと考えた。本研究では、トリアザトルキセン骨格に、導電性金属酸化物への吸着が可能なホスホン酸基を複数導入したマルチポッド型正孔回収単分子膜材料を開発する。合成した化合物のDMF溶液から透明導電性基板上にスピンコートすることで基板表面に単分子膜が得られるとわかった。また、これらのHTMを用いた太陽電池23.0%の光電変換効率及び優れた安定性を示したことがわかった。
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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
「研究実績の概要」に示したとおり、当初の研究目的・研究実施計画に従って順調に研究を遂行し、研究成果を公にすることができたから。
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| Strategy for Future Research Activity |
デバイス特性の更なる向上に向けて、一つの重要な課題は単分子膜上の濡れ性である。今後の研究として、ペロブスカイト半導体がアルキルアンモニウムやハライドを構成イオンにもつことに着目し、ペロブスカイト半導体の界面に結合親和性のある官能基（－NH3X、－OH、－SH、－SO3H等）を π 共役骨格の二つ目のアンカー基として導入した第2世代正孔回収単分子材料を合成する。マルチポッド型の骨格を活かして、二種類のアンカーを導入することで、π 共役平面が基板に対して望ましい face-on の配向を保持しながら、側鎖が基板とペロブスカイト層の両方に密に相互作用させることが可能である。
さらに、この単分子膜材料のアプローチを，スズ系のペロブスカイト太陽電池に適用するためには、より浅いHOMO準位（>－5.0 eV）をもつ正孔回収材料が必要である。その基本骨格として、ヘテロ原子で架橋したトリフェニルアミン骨格に着目した。DFT計算の結果から、架橋原子を窒素、酸素、または硫黄とすることで、対応する分子のHOMO準位は、広範囲にわたり制御可能であることを確認している。架橋ヘテロ原子の異なる組み合わせをもつこれらの標的分子群を系統的に合成する。中央の窒素のパラ位に導入したアリールホスホン酸などのアンカーの種類も分子全体の電子構造や配向に影響を及ぼすため、この点も含めて検討を進める。
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| Causes of Carryover |
コロナの影響で、参加を予定していた学会や研究会などの中止や延期、オンライン開催になったため。
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