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2021 Fiscal Year Research-status Report

Two-Dimensionally Expanded pi-Systems for High-Performance Tin Perovskite Solar Cells

Research Project

Project/Area Number 21K14694
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

中村 智也  京都大学, 化学研究所, 助教 (90850371)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2023-03-31
Keywordsペロブスカイト / 有機半導体 / 太陽電池
Outline of Annual Research Achievements

鉛(Pb)の代わりに環境負荷の小さいスズ(Sn)を用いたスズ系ペロブスカイト太陽電池の高性能化が強く求められている。Sn系太陽電池の素子特性低下の大きな原因として、Snペロブスカイト材料の伝導帯準位と、電子回収材料として用いられるフラーレンC60のLUMO準位とのエネルギーミスマッチが挙げられる。そこで本研究では、LUMO準位を精密に制御できる独自の非フラーレン電子回収材料を開発し、界面での電子構造の改善により太陽電池特性を向上することを目的とした。
高い電子受容性をもつ骨格としてロダニンおよびチアゾリジンジオンに着目し、これらをさまざまなコア骨格に導入した一連の電子回収材料を設計した。理論計算によりLUMO準位を見積もり、ペロブスカイト材料の伝導帯準位とのマッチングを考慮して分子設計を行った。これら一連の標的化合物は、アルキル基を導入したロダニンおよびチアゾリジンジオン誘導体と、各種アルデヒドおよびケトン化合物との縮合反応により合成できることがわかった。また、ITOなどの透明電極に吸着させて用いる単分子材料としての展開のために、金属酸化物へのアンカー部位としてホスホン酸基を導入した電子回収材料の開発にも取り組んだ。アルキル基の導入と同様の手法でホスホン酸エステル基を導入でき、ホスホン酸への変換が可能であることを確認した。今後は、合成したこれらの材料を用いて実際にSn系ペロブスカイト太陽電池を作製し、電荷回収材料としての性能評価を行う。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度は、ロダニンおよびチアゾリジンジオンをさまざまなコア骨格に導入した一連の電子回収材料について、その合成手法の確立に取り組んだ。ロダニンおよびチアゾリジンジオンに対して水酸化カリウムを作用させてカリウム塩を合成し、アルキルハライドと反応させることで各種アルキル基を導入できた。これらの化合物に対して、ピペリジン存在下、アルデヒドやケトン(テレフタルアルデヒド、N-メチルイサチン、etc.)とのクネーフォナーゲル縮合を行うことにより、一連の標的化合物を合成できることがわかった。
また、単分子電子回収材料への展開のために、金属酸化物へのアンカー部位となるホスホン酸基導入反応の検討も開始した。ロダニンおよびチアゾリジンジオンのカリウム塩に対して、2-ブロモエチルホスホン酸ジエチルあるいは3-ブロモプロピルホスホン酸ジエチルを反応させることにより、リン酸エステル基が導入できることを見出した。また、リン酸エステル基はトリメチルシリルブロミドを作用させることでホスホン酸へと変換できることを確認した。

Strategy for Future Research Activity

リン酸エステル基を導入したロダニンおよびチアゾリジンジオンに対して、アルデヒドやケトンとのクネーフォナーゲル縮合、続くエステル基の脱保護により、ホスホン酸基をもつ単分子電子回収材料の開発を行う。
開発した一連の電荷回収材料を用いて実際にSn系ペロブスカイト太陽電池を作製し光電変換特性を評価するとともに、過渡吸収、蛍光寿命や電子スピン共鳴(ESR)などの分光測定により電荷取り出しのダイナミクスを解明する。得られた構造―物性相関をもとに分子構造の最適化を行い、Sn系ペロブスカイト太陽電池の高性能化を実現する。

Causes of Carryover

次年度は、開発した電荷回収材料について、太陽電池作製や各種分光測定による性能評価を本格的に開始する。そのため、透明電極付き基板、ペロブスカイト試薬および溶媒、金属電極、グローブボックスの不活性ガスなど多額の消耗品を使用する予定である。

  • Research Products

    (28 results)

All 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Anti-Stokes photoluminescence from CsPbBr3 nanostructures embedded in a Cs4PbBr6 crystal2022

    • Author(s)
      Kajino Yuto、Otake Shuji、Yamada Takumi、Kojima Kazunobu、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi、Kanemitsu Yoshihiko、Yamada Yasuhiro
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 6 Pages: L043001

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.6.L043001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optimized carrier extraction at interfaces for 23.6% efficient tin-lead perovskite solar cells2022

    • 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: - Pages: -

    • DOI

      10.1039/d2ee00288d

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ultrastrong coupling between THz phonons and photons caused by an enhanced vacuum electric field2021

    • Author(s)
      Zhang Zhenya、Hirori Hideki、Sekiguchi Fumiya、Shimazaki Ai、Iwasaki Yasuko、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi、Kanemitsu Yoshihiko
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 3 Pages: L032021

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.3.L032021

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ASnI3-xBrx型スズペロブスカイト材料の系統的物性評価2022

    • Author(s)
      中村 智也,大塚 健斗,Shuaifeng Hu,森下 太郎,橋本 塁人,半田 岳人,金光 義彦,Minh Anh Truong,Richard Murdey,若宮 淳志
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Solution-Processed Electron Extraction Contacts for Efficient Tin Perovskite Solar Cells2022

    • Author(s)
      Wentao Liu, Shuaifeng Hu, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Richard Murdey, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      第69回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,嶋﨑 愛,大橋 昇,中村 智也, チョン ミンアン,Richard Murdey,若宮 淳志"
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 内部応力による変形を抑制した積層ITOを用いた超薄膜ペロブスカイト太陽電池2022

    • Author(s)
      大橋 昇、金子 竜二、酒井 智香子、石倉 靖久、矢沢 健児、 田原 弘量、半田 岳人、金光 義彦、中村 智也、Richard Murdey、若宮 淳志
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Performance Evaluation of Mixed-Halide Perovskite Solar Cells with Monolayer Hole Transporting Layers2022

    • Author(s)
      Richard Murdey, Yasuhisa Ishikura, Yuko Matsushige, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [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, Minh Anh Truong, Richard Murdey, 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 マーディー、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)
      舟崎 司・ユーベリッケ ルーカス・能條 航・チョン ミンアン・マーデイー リチャード・山田 琢允・中村 智也・フ シュアイフェン・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] 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)
      ユーバリッケ ルーカス、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] 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、Shuaifeng Hu、Minh Anh Truong、Richard Murdey、中村 智也、若宮 淳志
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
  • [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)
      TIANCHENG TAN、SHUAIFENG HU、MINH ANH TRUONG、RICHARD MURDEY、中村 智也、若宮 淳志
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
  • [Presentation] "PEAカチオンを含むスズペロブスカイト太陽電池における電荷移動の 電子スピン共鳴による直接観測"2022

    • Author(s)
      佐藤 睦,山口 世力,本橋 真優,王 弈璜,中村 智也,若宮 淳志,丸本 一弘
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Ultrastrong coupling between THz phonons and photons caused by an enhanced vacuum electric field2021

    • Author(s)
      章振亜、廣理英基、関口文哉、嶋崎愛、岩崎保子、中村智也、若宮淳志、金光義彦
    • Organizer
      日本物理学会 2021年秋季大会
  • [Presentation] 電子受容性置換基を導入した酸素架橋トリアリールアミン誘導体の光物性2021

    • Author(s)
      橋本 塁人・中村 智也・Truong Minh Anh・若宮 淳志
    • Organizer
      第31回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] トリアザトルキセン骨格を用いたペロブスカイト太陽電池の正孔回収材料の開発2021

    • Author(s)
      Minh Anh Truong・能條航・Lucas Veith Ueberricke・舟崎司・中村智也・Richard Murdey・鈴木孝紀・若宮淳志
    • Organizer
      第31回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] BAr2で架橋したアザフルベン二量体を用いた近赤外吸収色素の開発2021

    • Author(s)
      Tiancheng Tan・中野修一・Shuaifeng Hu・Minh Anh Truong・Richard Murdey・中村智也・若 宮淳志
    • Organizer
      第31回基礎有機化学討論会
  • [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材料の開発2021

    • Author(s)
      チョン ミンアン , 能條 航, ユーバリッケ ルーカスバイト, 舟崎 司, 堀内 保, 中村 智也, マーディー リチャード, 鈴木 孝紀, 若宮 淳志
    • Organizer
      第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
  • [Presentation] 室内光向きペロブスカイト太陽電池 Perovskite solar cells for ambient light harvesting2021

    • Author(s)
      マーディー リチャード,松重 優子,石倉 靖久,チョン ミンアン,中村 智也,若宮 淳志
    • Organizer
      第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
  • [Presentation] Interface Modification Strategies Using Surfactants for 23.6% Efficient Tin-Lead Perovskite Solar Cells2021

    • Author(s)
      Shuaifeng Hu, Kento Otsuka, Richard Murdey, Tomoya Nakamura, Minh Anh Truong, Takumi Yamada, Taketo Handa, Kazuhiro Matsuda, Kyohei Nakano, Atsushi Sato, Kazuhiro Marumoto, Keisuke Tajima, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
  • [Presentation] 23.6%-高効率スズ-鉛混合型ペロブスカイト太陽電池:アンモニウム基をもつ表面添加剤の効果2021

    • Author(s)
      Shuaifeng Hu, Kento Otsuka, Richard Murdey, Tomoya Nakamura, Minh Anh Truong, Takumi Yamada, Taketo Handa, Kazuhiro Matsuda, Kyohei Nakano, Atsushi Sato, Kazuhiro Marumoto, Keisuke Tajima, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      第48回有機典型元素化学討論会
  • [Presentation] ペロブスカイト太陽電池の効率的な正孔取り出しを実現するマルチポット型単分子膜材料2021

    • Author(s)
      Lucas Ueberricke,能條 航,舟崎 司,中村 智也,Richard Murdey,Minh Anh Truong,鈴木 孝紀,若宮 淳志
    • Organizer
      第48回有機典型元素化学討論会
  • [Presentation] エチレンジアンモニウム塩を用いた表面処理によるスズ系ペロブスカイト太陽電池の高性能化2021

    • Author(s)
      橋本塁人,Wentao Liu,森下太郎,Shuaifeng Hu,Towhid Hossain Chowdhury,Minh Anh Truong,Richard Murdey,中村智也,若宮淳志
    • Organizer
      第48回有機典型元素化学討論会
  • [Presentation] Sn-and Pb-Based Perovskite Solar Cells Using Highly Purified Materials2021

    • Author(s)
      Atsushi Wakamiya, Tomoya Nakamura, Shuaifeng Hu, Kento Otsuka, Ruito Hashimoto, Minh Anh Truong, Richard Murdey
    • Organizer
      Pacifichem2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study for PEA-containing tin perovskites by observation of charge transfer from PEDOT:PSS to perovskite using ESR spectroscopy2021

    • Author(s)
      Atsushi Sato, Mayu Motohashi, Yihuang Wang, Dong Xue, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya, Kazuhiro Marumoto
    • Organizer
      ISMAR-APNMR-NMRSJ-SEST2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct Observation of Charge Transfer in PEA-Containing Tin Perovskite Solar Cells by Electron Spin Resonance2021

    • Author(s)
      Atsushi Sato, Mayu Motohashi, Yihuang Wang, Dong Xue, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya, Kazuhiro Marumoto
    • Organizer
      Materials Research Meeting 2021(MRM2021)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-12-28  

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