2022 Fiscal Year Research-status Report
Two-Dimensionally Expanded pi-Systems for High-Performance Tin Perovskite Solar Cells
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21K14694
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中村 智也 京都大学, 化学研究所, 助教 (90850371)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 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 |
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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| 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。
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Research Products
(46 results)
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[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
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[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
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[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
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[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
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