Development of Charge-Transporting Materials for Efficient Tin-Based Perovskite Solar Cells

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22531
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: TRUONG MINHANH 京都大学, 化学研究所, 助教 (40792718)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2023-03-31
• 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 / スズ

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が重要である。最近では、正孔回収材料を単分子膜として用いることで優れた光電変換効率と安定性を示すペロブスカイト太陽電池が報告されている。従来の単分子膜材料では、金属酸化物基板への吸着能を有するアンカーは一つであり、π 平面が基板に対して垂直配向をとっていると考えられる。しかし、ペロブスカイト層と単分子膜材料の軌道の重なりの観点からは、水平配向の方が電荷の取り出しに有利であり、より高性能なペロブスカイト太陽電池が作製できると期待される。本研究では、π 骨格に複数のアンカーを導入することで水平配向の実現を目的にした。
π 骨格としてトリアザトリキセン骨格に着目し、アンカーとしてホスホン酸基を三つ導入したトリポッド型分子(3PATAT-C3)を設計・合成した。3PATAT-C3のDMF溶液を金属酸化物上にスピンコートし、分子の吸着様式や分子配向を調べた。その分子の粉末と金属酸化物に吸着した膜に対して、赤外線反射吸収分光測定を行ったところ、吸着膜ではP-O-H伸縮振動に対応するピークが大きく減少し、ほぼ全てのアンカー基が金属酸化物表面に化学吸着していることがわかった。また、紫外光電子分光法と、準安定原子電子分光法によって得られたスペクトルの比較から、分子が水平配向で吸着していることが明らかになった。この単分子膜を用いた鉛系ペロブスカイト太陽電池が優れた耐久性とともに最高で23.0%の効率を示すことがわかった。
また、トリポッド型3PATAT-C3の単分子膜を用いてスズ－鉛混合型ペロブスカイト太陽電池への応用も検討した。作製したデバイスが21％程度、従来の導電性ポリマー(PEDOT:PSS)やバルク材料のPTAAより比較的高い光電変換効率を示すことがわかった。

Research Products

• [Journal Article] BAr2‐bridged Azafulvene Dimers with Tunable Energy Levels for Photostable Near‐infrared Dyes (2023)
  • Author(s): Tan Tiancheng、Nakamura Tomoya、Murdey Richard、Hu Shuaifeng、Truong Minh Anh、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Chemistry ? A European Journal Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1002/chem.202300529
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of electron-accepting substituents on the fluorescence of oxygen-bridged triarylamine (2023)
  • Author(s): Hashimoto Ruito、Nakamura Tomoya、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Dyes and Pigments Volume: 215 Pages: 111281～111281
  • DOI: 10.1016/j.dyepig.2023.111281
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tripodal Triazatruxene Derivative as a Face-On Oriented Hole-Collecting Monolayer for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells (2023)
  • Author(s): Truong Minh Anh、Funasaki Tsukasa、Ueberricke Lucas、Nojo Wataru、Wakamiya Atsushi, et al.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Pages: 7528～7539
  • DOI: 10.1021/jacs.3c00805
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synergistic Surface Modification of Tin-Lead Perovskite Solar Cells (2023)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Zhao Pei、Nakano Kyohei、Oliver Robert D. J.、Pascual Jorge、Smith Joel A.、Yamada Takumi、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Shioya Nobutaka、Hasegawa Takeshi、Ehara Masahiro、Johnston Michael B.、Tajima Keisuke、Kanemitsu Yoshihiko、Snaith Henry J.、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Pages: 2208320～2208320
  • DOI: 10.1002/adma.202208320
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Universal Surface Treatment for p-i-n Perovskite Solar Cells (2022)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Pascual Jorge、Liu Wentao、Funasaki Tsukasa、Truong Minh Anh、Hira Shota、Hashimoto Ruito、Morishita Taro、Nakano Kyohei、Tajima Keisuke、Murdey Richard、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 14 Pages: 56290～56297
  • DOI: 10.1021/acsami.2c15989
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Using High-Purity Starting Materials (2022)
  • Author(s): Nakamura Tomoya、Otsuka Kento、Hu Shuaifeng、Hashimoto Ruito、Morishita Taro、Handa Taketo、Yamada Takumi、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 5 Pages: 14789～14798
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02144
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Engineering of Enamine‐Based Hole‐Transporting Materials for High‐Performing Perovskite Solar Cells: Influence of the Central Heteroatom (2022)
  • Author(s): Vaitukaityte Deimante、Truong Minh Anh、Rakstys Kasparas、Murdey Richard、Funasaki Tsukasa、Yamada Takumi、Kanemitsu Yoshihiko、Jankauskas Vygintas、Getautis Vytautas、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Solar RRL Volume: 6 Pages: 2200590～2200590
  • DOI: 10.1002/solr.202200590
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Operational stability, low light performance, and long-lived transients in mixed-halide perovskite solar cells with a monolayer-based hole extraction layer (2022)
  • Author(s): Murdey Richard、Ishikura Yasuhisa、Matsushige Yuko、Hu Shuaifeng、Pascual Jorge、Truong Minh Anh、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Solar Energy Materials and Solar Cells Volume: 245 Pages: 111885～111885
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2022.111885
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimized carrier extraction at interfaces for 23.6% efficient tin-lead perovskite solar cells (2022)
  • Author(s): Hu Shuaifeng、Otsuka Kento、Murdey Richard、Nakamura Tomoya、Truong Minh Anh、Yamada Takumi、Handa Taketo、Matsuda Kazuhiro、Nakano Kyohei、Sato Atsushi、Marumoto Kazuhiro、Tajima Keisuke、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • Journal Title: Energy & Environmental Science Volume: 15 Pages: 2096～2107
  • DOI: 10.1039/D2EE00288D
  • Peer Reviewed
• [Presentation] イオン混合型スズペロブスカイト単結晶の合成と物性 (2023)
  • Author(s): 中村 智也, 原田 布由樹, 山田 琢允，金光 義彦，Truong Minh Anh，Richard Murdey, 若宮 淳志
  • Organizer: 第70応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Minimizing Voltage Losses in Stable Wide Bandgap Mixed Halide Perovskite Solar Cells (2023)
  • Author(s): Richard Murdey, Ai Shimazaki, Ryuji Kaneko, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: 第70応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] マルチポッド型正孔収集材料の導電性酸化物電極上での分子配向 (2023)
  • Author(s): 赤塚 有杜，Truong Minh Anh，若宮 淳志，吉田 弘幸
  • Organizer: 第70応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 溶液法を用いたスズ系ペロブスカイト半導体膜の表面処理法の開発 (2023)
  • Author(s): 原田 布由樹，中村 智也，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] ロダニン骨格を用いたペロブスカイト太陽電池の単分子電子回収材料の開発 (2023)
  • Author(s): 三宅 悠季，中村 智也，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 高性能化ペロブスカイト太陽電池のためのスクアリン骨格を用いた正孔回収単分子膜材料の開発 (2023)
  • Author(s): 翔太 平，司 舟崎，リチャード マーデイー，中村 智也，ミンアン チョン，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 高性能ペロブスカイト太陽電池のためのマルチポッド型正孔回収単分子膜材料の開発 (2022)
  • Author(s): ミンアン チョン，船崎 司，ルーカス ユーベリッケ，能條 航，リチャード マーデイー，山田 琢允，シュアイフェン フ，中村 智也，塩谷 暢貴，長谷川 健，金光 義彦，鈴木 孝紀，若宮 淳志
  • Organizer: 高分子学会第71高分子討論会
• [Presentation] シクロオクタテトラインドール骨格を用いたテトラポッド型正孔回収単分子膜材料の開発 (2022)
  • Author(s): 船崎 司・ユーベリッケ ルーカス バイト・フ シュアイフェン・中村 智也・マーデイー リチャード・チョン ミンアン・若宮 淳志
  • Organizer: 第19回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [Presentation] Solution-Processed Electron Extraction Contacts for Efficient Tin Perovskite Solar Cells (2022)
  • Author(s): Wentao Liu, Shuaifeng Hu，Minh Anh Truong，Tomoya Nakamura, Richard Murdey，Atsushi Wakamiya
  • Organizer: he 69th Spring Meeting of Japan Society of Applied Physics
• [Presentation] 単分子膜正孔輸送層を用いた混合ハロゲン鉛ペロブスカイト太陽電池の光安定性評価 (2022)
  • Author(s): マーデイー リチャード，石倉 靖久，松重 優子，チョン ミンアン，中村 智也，若宮 淳志
  • Organizer: 第69応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ペロブスカイト/結晶シリコン二端子タンデム型太陽電池に向けたワイドバンドギャップ－ペロブスカイト太陽電池開発 (2022)
  • Author(s): 金子 竜二，嶋崎 愛，大橋 昇，中村 智也，チョン ミンアン，Murdey Richard，若宮 淳志
  • Organizer: 第69応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] BAr2架橋5員環構造をもつアザフルベン化合物の合成と物性 (2022)
  • Author(s): テンセイ タン，シュアイフェン フ，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，中村 智也，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] スズペロブスカイト太陽電池の高性能化のためのエチレンジアンモニウム塩を用いた表面処理手法の開発 (2022)
  • Author(s): 橋本 塁人，Wentao Liu，森下 太郎，シュアイフェン フ，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，中村 智也，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] ベンゼンを核構造に用いた酸素架橋トリアリールアミンのバンドル化分子の合成と物性 (2022)
  • Author(s): 中野 修一，中村 智也，リチャード マーデイー，ミンアン チョン，若宮 淳志 ベンゼンを核構造に用いた酸素架橋トリアリールアミンのバンドル化分子の合成と物性
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] シクロオクタテトラインドール骨格を用いたテトラポッド型正孔回収単分子膜材料の開発 (2022)
  • Author(s): ルーカス ユーベリッケ，船崎 司，中村 智也，リチャード マーデイー，ミンアン チョン，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] トリアザトリキセン骨格を用いた高性能ペロブスカイト太陽電池の正孔回収単分子膜材料の開発 (2022)
  • Author(s): 船崎 司，ルーカス ユーベリッケ，能條 航，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，山田 琢允，中村 智也，シュアイフェン フ，金光 義彦，鈴木 孝紀，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 強い電子受容性をもつBAr2架橋ジヒドロキシジオン骨格の合成と物性 (2022)
  • Author(s): 竹脇 由佳，中野 修一，中村 智也，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，若宮 淳志
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Engineering the central heteroatom of hole transporting enamines for efficient perovskite solar cells (2022)
  • Author(s): Deimante Vaitukaityte, Minh Anh Truong, Kasparas Rakstys, Richard Murdey, Vygintas Jankauskas, Vytautas Getautis, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: The 14th International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics (HOPV22), Valencia, Spain
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Systematic investigations on properties of bromide containing tin perovskites (2022)
  • Author(s): Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Tarou Morishita, Ruito Hashimoto, Taketo Handa, Yoshihiko Kanemitsu, Richard Murdey, Minh Anh Truong, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: Global Photovoltaic Conference (GPVC 2022), Gwangju, Korea
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Engineering the central heteroatom of hole transporting enamines for efficient perovskite solar cells (2022)
  • Author(s): Deimante Vaitukaityte, Minh Anh Truong, Kasparas Rakstys, Richard Murdey, Vygintas Jankauskas, Vytautas Getautis, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: The 23rd International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-23), Lausanne, Switzerland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient Inverted Perovskite Solar Cells Enabled by Multipodal Hole-Collecting Monolayers Based on Triazatruxene Skeleton (2022)
  • Author(s): Minh Anh Truong, Tsukasa Funasaki, Lucas Ueberricke, Wataru Nojo, Richard Murdey, Takumi Yamada, Shuaifeng Hu, Tomoya Nakamura, Nobutaka Shioya, Takeshi Hasegawa, Yoshihiko Kanemitsu, Takanori Suzuki, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33), Nagoya, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interfacial Modifications for Efficient Tin-lead Perovskite Solar Cells (2022)
  • Author(s): Shuaifeng Hu, Pei Zhao, Kyohei Nakano, Jorge Pascual, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Nobutaka Shioya, Takeshi Hasegawa, Masahiro Ehara, Keisuke Tajima, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33), Nagoya, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Operational stability and low light performance of wide-bandgap perovskite solar cells (2022)
  • Author(s): Richard Murdey, Minh Anh Truong, Ai Shimazaki, Ryuji Kaneko, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33), Nagoya, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Halide segregation and the operational stability of monbolayer-based p-i-n perovskite solar cell (2022)
  • Author(s): Richard Murdey, Yasuhisa Ishikura, Yuko Matsushige, Shuaifeng Hu, Jorge Pascual, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP23), Kobe, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Prepared with High Purity Starting Materials (2022)
  • Author(s): Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Ruito Hashimoto, Taro Morishita, Taketo Handa, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
  • Organizer: Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP23), Kobe, Japan
  • Int'l Joint Research