2023 Fiscal Year Annual Research Report
希土類元素導入ペロブスカイト系太陽電池の最適組成の理論的探索と導入効果の検証
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21K05261
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
鈴木 厚志 滋賀県立大学, 工学部, 講師 (30281603)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト太陽電池 / 光起電力特性 / 希土類元素 / 第一原理計算 / 電子構造 / 分子動力学 / X線回折 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハロゲン化鉛系ペロブスカイト太陽電池は、従来の太陽電池よりも優れた開放電圧、高い光電変換効率を有しているが、長期安定性に乏しく、実用化する上で光活性層であるペロブスカイト結晶の劣化抑制や界面の構造最適化や電子構造制御を行い、性能向上が求められている。
本研究は、希土類元素の導入により長期安定性かつ高性能なペロブスカイト太陽電池の開発を行うことを目的として、光活性層であるペロブスカイト結晶の電子構造解析から性能を予測し、光起電力特性の測定、表面形態の観察や結晶構造解析から性能評価を行った。希土類元素 (Eu, Sm, Tb, Ce, Gd, Nd) の導入により光活性層の劣化を抑制しながら性能向上と長期安定化を行った。
第一原理計算法により価電子帯、伝導帯付近のバンド構造から有効質量やバンドギャップを予測し、キャリア移動や開放電圧の向上を予想した。希土類元素のd軌道と配位子のp軌道の重なりや格子振動の抑制により電荷移動が促進し、半導体特性や光起電力特性が改善することを予測した。分子動力学計算を用いてペロブスカイト結晶の熱力学的安定性や分子運動性を検討し、導入により有機カチオン脱離による分解を抑制しながら安定性を向上することが分かった。
ゼーベック係数、電気伝導度、熱伝導率、熱電出力因子の温度依存性 (50 K～600 K) からフォノンの影響を検証した。希土類元素導入によりフォノンの影響を抑制し、高温領域まで半導体特性を維持することを予測した。正孔輸送層としてフタロシアニン錯体を導入することにより光活性層の表面欠陥やピンホールを抑制し、電子ブロック層の働きによる輸送特性の改善により性能が向上した。長期安定性かつ高性能なペロブスカイト太陽電池の開発が可能となり、建築用、自動車用のみならず、様々な分野の市場に普及ができると期待できる。
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