Development of Multipodal Hole-Transporting Monolayer Materials for High Performance Perovskite Solar Cells

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K14744
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: TRUONG MINHANH 京都大学, 化学研究所, 助教 (40792718)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 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 / 水平配向

Outline of Annual Research Achievements

ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けては、デバイスの光電変換効率のさらなる向上と耐久性の飛躍的な向上が依然課題となっている。
ペロブスカイト層で光吸収によって生成した電荷を選択的に取り出す電荷回収材料の開発がさらなる特性向上のためのボトルネック課題となっている。従来の正孔回収材料では、各層間でのリークを防ぐために100-200 nm 程度のアモルファス性の厚膜層として用いられてきた。しかし、その材料自体の厚膜による光吸収が取り出せる電流密度を低下させてしまい、また、この厚膜のモルフォルジーの安定性がデバイス自体の低い熱安定性の原因となっている。さらに、従来の厚膜材料では正孔移動度が比較的低いため、電気伝導度を向上するためにはp型のドーパントなどの添加剤を必要とする。しかし、これらの添加剤の高い吸湿性と各イオンのペロブスカイト層への遊泳が、ペロブスカイト層へのダメージとなり、太陽電池デバイスの耐久性を低下させている。ペロブスカイト太陽電池デバイスの耐久性を向上させるためには、これらの視点から、優れた添加剤フリーp型有機半導体材料の開発が重要となる。
本研究では、長期耐久性と高い光電変換効率をもつ太陽電池を実現できる新たな有機半導体材料の開発を目指す。具体的には、トリアザトリキセンをはじめとする2次元拡張 π 共役骨格にホスホン酸などの極性基をアンカー基として複数導入したマルチポッド型正孔回収単分子膜材料を開発した。これらの単分子膜材料は、上下のペロブスカイト層および電極基板のそれぞれに対して水平方向に配向するため、効率的な正孔回収が可能になることが明らかになった。この単分子膜を添加剤フリー正孔回収層に用いたペロブスカイト太陽電池が23％の高い光電変換効率と長期耐久性を示すことがわかった。また、本研究ではπ 骨格の形やアンカー基の種類の効果についての検討も行った．

Current Status of Research Progress

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

Reason

「研究実績の概要」に示した通り、当初の研究目的・研究実績計画に従って順調に遂行し、研究成果を公にすることができたから。

Strategy for Future Research Activity

これまで開発してきた単分子膜材料は疎水的であるため、大面積化する際に均一にペロブスカイト膜を作製することが困難である。そこで、ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けて、単分子膜上の濡れ性の問題を解決することが重要となっている。
今後の研究として、ペロブスカイト半導体材料がアルキルアンモニウムイオンやハライドイオンを持つことに着目し、ペロブスカイト半導体の界面に結合親和性のある極性官能基をπ共役骨格の二つ目のアンカー基として導入した新たな正孔回収単分子膜材料を合成する。マルチポッド型の骨格を活かして、二種類のアンカーを導入することで、π共役平面が基板に対して水平方向を示しながら、側鎖が基板とペロブスカイト層の両方に密に相互作用させることが可能である。これで単分子膜上の濡れ性の問題を解決することができると期待している。

Causes of Carryover

新型コロナウィルス感染拡大の影響で参加予定の学会が中止やオンラインになったため。

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: e202300529
  • DOI: 10.1002/chem.202300529
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of electron-accepting substituents on the fluorescence of oxygen-bridged triarylamine (2023)
  • Author(s): Ruito Hashimoto, Tomoya Nakamura, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Atsushi Wakamiya
  • Journal Title: Dyes and Pigments Volume: 215 Pages: 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): Shuaifeng Hu, Pei Zhao, Kyohei Nakano, Robert D. J. Oliver, Jorge Pascual, Joel A. Smith, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Nobutaka Shioya, Takeshi Hasegawa, Masahiro Ehara, Michael B. Johnston, Keisuke Tajima, Yoshihiko Kanemitsu, Henry J. Snaith, Atsushi Wakamiya
  • 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): Shuaifeng Hu, Jorge Pascual, Wentao Liu, Tsukasa Funasaki, Minh Anh Truong, Shota Hira, Ruito Hashimoto, Taro Morishita, Kyohei Nakano, Keisuke Tajima, Richard Murdey, Tomoya Nakamura, and Atsushi Wakamiya
  • 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
• [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] 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