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2022 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 – 2024-03-31
Keywordsペロブスカイト / 太陽電池 / 単分子材料 / 電子回収材料 / ロダニン
Outline of Annual Research Achievements

ペロブスカイト太陽電池は、塗布で作製可能な次世代太陽電池として注目を集めている。ペロブスカイト半導体から電子を取り出す電子回収層(n型半導体材料)には、酸化チタンや酸化スズなどの金属酸化物が一般的に用いられているが、低温プロセスによる成膜や素子の耐久性の観点から、有機電子回収材料の開発が求められている。近年、正孔回収層(p型半導体材料)として、有機単分子層を用いることで高い太陽電池特性と耐久性が得られることがわかってきている。そこで本研究では、単分子層で用いる有機電子回収材料の開発に取り組んだ。
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骨格に着目し、これらをイサチン骨格と縮合させた化合物を標的化合物として合成を行った。これらの化合物の窒素原子上には、ITOなどの透明電極への吸着基として、ホスホン酸基あるいはカルボン酸基を導入した。
電気化学測定から、合成した化合物はいずれもペロブスカイト半導体から電子を受け取ることのできる適切なLUMO準位をもつことがわかった。実際に、これらの化合物を単分子電子回収材料として用いてペロブスカイト太陽電池を作製したところ、10~13%程度の光電変換効率が得られ、いずれの場合も電子回収材料を用いなかった場合(7.9%)より高い特性を示すことがわかった。
一方、さらなる素子特性の向上のためには、これらの化合物がどのような膜を形成しているのかを分析する必要がある。今後は被覆率や分子配向の評価を行いながら、成膜法の最適化を進める予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は、ロダニンおよびチアゾリジンジオン骨格として用いた一連の単分子電子回収材料の合成および基礎物性評価を行った。また、これらの材料を用いたペロブスカイト太陽電池の作製にも取り組んだ。
具体的には、ロダニンおよびチアゾリジンジオンのカリウム塩と、エステル保護された吸着基(ホスホン酸およびカルボン酸)をもつ臭化アルキルとの反応により吸着基を導入した。ピペリジンを触媒として用いてイサチンとのクネーフォナーゲル縮合を行い、エステルの脱保護を行うことで、一連の標的化合物を合成できることがわかった。
電気化学測定と紫外・可視吸収スペクトル測定から、合成した化合物のLUMO準位は-3.9 eV ~ -4.2 eV程度、HOMO準位は-6.3eV ~ -6.4 eV程度と見積もられ、ペロブスカイト半導体(伝導帯準位:~ -4.0 eV、価電子帯準位:~ -5.6 eV)から電子を受け取り正孔をブロックすることのできる適切な電子準位をもつことがわかった。
そこで、実際に、これらの化合物を単分子電子回収材料として用いてペロブスカイト太陽電池の作製を行った。予備的な結果ではあるが、10~13%程度の光電変換効率が得られ、いずれの場合も電子回収材料を用いなかった場合(7.9%)より高い特性を示すことがわかった。

Strategy for Future Research Activity

本研究で開発した4種類の単分子材料はいずれも電子回収層として機能し、初期検討としては比較的良好な10~13%程度の光電変換効率が得られることがわかった。さらなる素子特性の向上のためには、これらの化合物がどのような膜を形成しているのかを分析する必要があると考えられる。
そこで、薄膜の電気化学測定やX線光電子分光による被覆率の評価や、紫外光電子分光と準安定原子電子分光の組み合わせによる分子配向の評価を行い、単分子膜の構造特性を明らかにする。それをもとに単分子材料の成膜法(溶液の濃度、スピンコートorディップコート、アニール条件など)の最適化を行う予定である。

Causes of Carryover

次年度は、太陽電池作製および各種分光測定による性能評価に取り組む。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

    (46 results)

All 2023 2022

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (38 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Tripodal Triazatruxene Derivative as a Face-On Oriented Hole-Collecting Monolayer for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells2023

    • Author(s)
      Truong Minh Anh、Funasaki Tsukasa、Ueberricke Lucas、Nojo Wataru、Murdey Richard、Yamada Takumi、Hu Shuaifeng、Hira Shota、Nakamura Tomoya、Shioya Nobutaka、Kan Daisuke、Tsuji Yuta、Iikubo Satoshi、Yoshida Hiroyuki、Shimakawa Yuichi、Hasegawa Takeshi、Kanemitsu Yoshihiko、Suzuki Takanori、Wakamiya Atsushi
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 145 Pages: 7528~7539

    • DOI

      10.1021/jacs.3c00805

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of electron-accepting substituents on the fluorescence of oxygen-bridged triarylamine2023

    • 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] Multivariate Analysis of Mixed Ternary and Quaternary A-Site Organic Cations in Tin Iodide Perovskite Solar Cells2022

    • Author(s)
      Nakanishi Eita、Nishikubo Ryosuke、Ishiwari Fumitaka、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi、Saeki Akinori
    • Journal Title

      ACS Materials Letters

      Volume: 4 Pages: 1124~1131

    • DOI

      10.1021/acsmaterialslett.2c00229

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Metal-free ferroelectric halide perovskite exhibits visible photoluminescence correlated with local ferroelectricity2022

    • Author(s)
      Handa Taketo、Hashimoto Ruito、Yumoto Go、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi、Kanemitsu Yoshihiko
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eabo1621

    • DOI

      10.1126/sciadv.abo1621

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Rapidly expanding spin-polarized exciton halo in a two-dimensional halide perovskite at room temperature2022

    • Author(s)
      Yumoto Go、Sekiguchi Fumiya、Hashimoto Ruito、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi、Kanemitsu Yoshihiko
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eabp8135

    • DOI

      10.1126/sciadv.abp8135

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Operational stability, low light performance, and long-lived transients in mixed-halide perovskite solar cells with a monolayer-based hole extraction layer2022

    • 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] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Using High-Purity Starting Materials2022

    • 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] A Universal Surface Treatment for p-i-n Perovskite Solar Cells2022

    • 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
  • [Presentation] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Preapred with High Purity Starting Materials2023

    • Author(s)
      Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Ruito Hashimoto, Tarou Morishita, Taketo Handa, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      Perovskite and Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP23)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高純度材料を用いたスズ系ペロブスカイト太陽電池の開発2023

    • Author(s)
      中村 智也・若宮 淳志
    • Organizer
      日本太陽光発電学会 ペロブスカイト太陽電池分科会2022年度研究会
    • Invited
  • [Presentation] 材料化学アプローチによる高性能ペロブスカイト太陽電池の開発2023

    • Author(s)
      中村 智也・若宮 淳志
    • Organizer
      応用物理学会 有機バイオエレクトロニクス分科会3月研究会
    • Invited
  • [Presentation] 高純度材料を用いたASnI3-xBrx型スズペロブスカイト材料の系統的物性評価2023

    • Author(s)
      中村 智也
    • Organizer
      学際統合物質科学研究機構 成果報告会
  • [Presentation] スピンコータを用いたフィルム型ペロブスカイト太陽電池の作製2023

    • Author(s)
      中村 智也・若宮 淳志
    • Organizer
      技術情報協会
    • Invited
  • [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,Minh Anh Truong,Richard Murdey,若宮 淳志
    • Organizer
      応用物理学会 2023年春季年会
  • [Presentation] Halide segregation and the operational stability of monolayer-based p-i-n perovskite solar cells2023

    • 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)
    • Int'l Joint Research
  • [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・Minh Anh Truong・Richard Murdey・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・Minh Anh Truong・Richard Murdey・若宮 淳志
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] スクアリン骨格を用いた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2023

    • Author(s)
      平 翔太・舟崎 司・Richard Murdey・中村 智也・Minh Anh Truong・若宮 淳志
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] 偏光分解ポンプ・プローブ顕微分光法の開発と超高速二次元励起子スピン輸送の観測2023

    • Author(s)
      湯本 郷・関口 文哉・橋本 塁人・中村 智也・若宮 淳志・金光 義彦
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • [Presentation] 二次元層状ハライドペロブスカイトの格子歪みが光学特性に及ぼす効果2023

    • Author(s)
      東村 智佳, 湯本 郷, 中村 智也, 原田 布由樹, 若宮 淳志, 廣理 英基、金光 義彦
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 混合ハロゲン化物ペロブスカイト薄膜の光誘起イオン移動2023

    • Author(s)
      大穀裕介、山田琢允、嶋﨑愛、森下太郎、金子竜二、中村智也、若宮淳志、廣理英基、金光義彦
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] PEAを含むSnペロブスカイト太陽電池における電荷移動と電子輸送層における電荷状態2023

    • Author(s)
      佐藤 睦・山口 世力・本橋 真優・Yihuang Wang・中村 智也・若宮 淳志・丸本 一弘
    • Organizer
      応用物理学会第83回春季学術講演会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite2022

    • Author(s)
      Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Tarou Morishita, Ruito Hashimoto, Taketo Handa, Yoshihiko Kanemitsu, Richard Murdey, Minh Anh Truong, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      The 8th K-J Joint Seminar on PV
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Systematic Investigations on Properties of Bromide-Containing Tin Perovskites2022

    • Author(s)
      Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Ruito Hashimoto, Tarou Morishita, Taketo Handa, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      Global Photovoltaic Conference 2022 (GPVC 2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Using High Purity Starting Materials2022

    • Author(s)
      Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Ruito Hashimoto, Tarou Morishita, Taketo Handa, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Sciecne and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Low light performance evaluation of mixed-halide perovskite solar cells with monolayer hole extraction layers2022

    • Author(s)
      Richard Murdey, Yasuhisa Ishikura, Yuko Matsushige, Tomoya Nakamura, Minh Anh Truong, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      The 8th K-J Joint Seminar on PV
    • Int'l Joint Research
  • [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)
      舟崎 司・ユーバリッケ ルーカスバイト・フ シュアイフェン・中村 智也・マーディ 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] Materials to Improve the Performance of Sn-Based Perovskite Solar Cells2022

    • Author(s)
      Atsushi Wakamiya, Shuaifeng Hu, Tomoya Nakamura, Taketo Handa, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu
    • Organizer
      The 29th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displayes and Devices (AM-FPD22)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高性能ペロブスカイト太陽電池のための新たなトリポッド型正孔回収性単分子膜材料の開発2022

    • Author(s)
      舟崎 司, Lucas Ueberricke, Shuaifeng Hu, 中村 智也, Richard Murdey, Minh Anh Truong, 若宮 淳志
    • Organizer
      第32回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] Morphology Control of Indene-C60 bisadduct Film for Efficient Tin Perovskite Solar Cells2022

    • Author(s)
      Wentao Liu, Shuaifeng Hu, Jorge Pascual, Taro Morishita, Takumi Yamada, Richard Murdey, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      第32回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] 添加剤を用いたペロブスカイト半導体の結晶成長制御2022

    • Author(s)
      森下太郎・金子竜二・タン テンセイ・チョン ミンアン・マーディ リチャード・中村智也・若宮淳志
    • Organizer
      第32回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] Ultrathin flexible perovskite solar cells using internal stress-controlled bilayer indium tin oxide electrode2022

    • Author(s)
      Noboru Ohashi, Ryuji Kaneko, Chikako Sakai, Kenji Yazawa, Hirokazu Tahara, Taketo Handa, Tomoya Nakamura, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Sciecne and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimization of wide-bandgap perovskite solar cells for Si/perovskite tandem cells2022

    • Author(s)
      Ryuji Kaneko, Ai Shimazaki, Noboru Ohashi, MinhAnh Truong, Tomoya Nakamura, Richard Murdey, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Sciecne and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Operational stability and low light performance of wide-bandgap perovskite solar cells2022

    • Author(s)
      Richard Murdey, Minh Anh Truong, Ai Shimazaki, Ryuji Kaneko, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Sciecne and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Efficient Inverted Perovskite Solar Cells Enabled by Multipodal Hole-Collecting Monolayers Based on Triazatruxene Skeleton2022

    • 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
      33rd International Photovoltaic Sciecne and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ペロブスカイト太陽電池の大面積塗工に向けたインク組成 および添加剤の探索2022

    • Author(s)
      森下 太郎・金子 竜二・Minh Anh Truong・Richard Murdey・中村 智也・若宮 淳志
    • Organizer
      第49回有機典型元素化学討論会
  • [Presentation] 二次元層状ハライドペロブスカイトの発光特性のAサイトカチオン依存性2022

    • Author(s)
      東村 智佳・湯本 郷・中村 智也・橋本 塁人・若宮 淳志・廣理 英基・金光 義彦
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 二次元層状ハライドペロブスカイトにおける励起子スピンの時間分解イメージング2022

    • Author(s)
      湯本 郷・関口 文哉・橋本 塁人・中村 智也・若宮 淳志・金光 義彦
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 混合ハロゲン化物ペロブスカイト薄膜の光学特性の空間マッピング2022

    • Author(s)
      大穀裕介・山田琢允・嶋﨑愛・舟崎司・チョンミンアン・中村智也・若宮淳志・金光義彦
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 偏光分解ポンプ・プローブ顕微鏡を用いた二次元層状ハライドペロブスカイトにおける励起子スピンイメージング2022

    • Author(s)
      湯本 郷・関口 文哉・橋本 塁人・中村 智也・若宮 淳志・金光 義彦
    • Organizer
      応用物理学会第83回秋季学術講演会
  • [Presentation] メタルフリー強誘電ハライドペロブスカイトにおける局所的な強誘電性と相関した可視光発光の観測2022

    • Author(s)
      半田 岳人・橋本 塁人・湯本 郷・中村 智也・若宮 淳志・金光 義彦
    • Organizer
      応用物理学会第83回秋季学術講演会
  • [Presentation] PEAを含むSnペロブスカイト太陽電池の電荷状態と素子劣化機構の解析2022

    • Author(s)
      佐藤 睦・山口 世力・本橋 真優・Yihuang Wang・中村 智也・若宮 淳志・丸本 一弘
    • Organizer
      「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
  • [Presentation] Study for PEA-containing tin perovskites by observation of charge transfer from PEDOT:PSS to perovskite using ESR spectroscopy2022

    • 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] Analysis of charge states and device degradation mechanisms in PEA-containing tin perovskite solar cells2022

    • Author(s)
      Atsushi Sato, Seira Yamaguchi, Mayu Motohashi, Yihuang Wang, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya, Kazuhiro Marumoto
    • Organizer
      33rd International Photovoltaic Sciecne and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] PEAを含むSnペロブスカイト太陽電池における電荷輸送層の電荷状態と素子劣化機構2022

    • Author(s)
      佐藤 睦・山口 世力・本橋 真優・Yihuang Wang・中村 智也・若宮 淳志・丸本 一弘
    • Organizer
      第61回電子スピンサイエンス学会年会(SEST2022)
  • [Presentation] ESR study on charge states and device degradation mechanisms in PEA-containing tin perovskite solar cells2022

    • Author(s)
      Atsushi Sato, Seira Yamaguchi, Mayu Motohashi, Yihuang Wang, Kazuhiro Marumoto, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
    • Organizer
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2022)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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