有機無機ハイブリッド太陽電池における酸化物半導体の役割解明と軽量太陽電池への展開

• 研究課題/領域番号: 16K05888
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー関連化学
• 研究機関: 桐蔭横浜大学
• 研究代表者: 池上 和志 桐蔭横浜大学, 医用工学部, 准教授 (30375414)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2016年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: ペロブスカイト太陽電池 / 光電変換 / 酸化チタン / 低温成膜 / 低温製膜 / 光エネルギー変換 / エナジーハーベスティング / ペロブスカイト / 低温製膜法 / ブルッカイト / プラスチック基板

研究成果の概要

高効率ペロブスカイト太陽電池を、軽量薄型の透明導電性プラスチック基板を用いて作製するための材料の調製法と成膜法の研究を行った。透明導電膜上に、真空スパッタ法よる平均厚み7nmの酸化チタン層と、さらにその上層に一次粒子径が 7 nmのアナターゼ型酸化チタンをスピンコート成膜する手法と条件を確立した。その結果、厚みが0.125 mmのプラスチックペロブスカイト太陽電池で、エネルギー変換効率18%を達成した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ペロブスカイト太陽電池を樹脂基板にような耐熱性の低い基板を用いて作製するにあたり、焼成温度が課題であった電子収集層となる酸化チタン層を、粒子の種類の選択と分散液の調製により低温成膜できることを示した。このことにより、材料の選択肢が多い順構造型のペロブスカイト太陽電池を、プラスチック基板をはじめとする耐熱性の低い基板を用いて作製でき、かつ高効率を引き出せることを示した。電子収集層の金属酸化物層の積層構造も、高効率を引き出すために効果的であり、極薄の曲がるあるいは折りたためる高効率ペロブスカイト太陽電池を作製する手法について道を開く結果を示すことができた。

研究成果

• [雑誌論文] Performance enhancement of AgBi2I7 solar cells by modulating a solvent-mediated adduct and tuning remnant BiI3 in one-step crystallization (2019)
  • 著者名/発表者名: Ashish Kulkarni, Ajay Jena, Masashi Ikegami, Tsutomu Miyasaka
  • 雑誌名: Chemical Communication 巻: 55 号: 28 ページ: 4031-4034
  • DOI: 10.1039/c9cc00733d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ambient Fabrication of 126 μm Thick Complete Perovskite Photovoltaic Device for High Flexibility and Performance (2018)
  • 著者名/発表者名: Singh Trilok、Ikegami Masashi、Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 1 号: 12 ページ: 6741-6747
  • DOI: 10.1021/acsaem.8b01623
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stabilization of α-CsPbI3 in Ambient Room Temperature Conditions by Incorporating Eu into CsPbI3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Ajay Jena, Ashish Kulkarni, Yoshitaka Sanehira, Masashi Ikegami, Tsutomu Miyasaka
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 30 (19) 号: 19 ページ: 6668-6674
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01808
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spontaneous Synthesis of Highly Crystalline TiO2 Compact/Mesoporous Stacked Films by a Low-Temperature Steam-Annealing Method for Efficient Perovskite Solar Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Sanehira Yoshitaka、Numata Youhei、Ikegami Masashi、Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 10 号: 20 ページ: 17195-17202
  • DOI: 10.1021/acsami.8b03532
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tolerance of Perovskite Solar Cell to High-Energy Particle Irradiations in Space Environment (2018)
  • 著者名/発表者名: Miyazawa Yu、Ikegami Masashi、Chen Hsin-Wei、Ohshima Takeshi、Imaizumi Mitsuru、Hirose Kazuyuki、Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: iScience 巻: 2 ページ: 148-155
  • DOI: 10.1016/j.isci.2018.03.020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vapor Annealing Controlled Crystal Growth and Photovoltaic Performance of Bismuth Triiodide Embedded in Mesostructured Configurations (2018)
  • 著者名/発表者名: Ashish Kulkarni, Trilok Singh, Ajay K. Jena, Peerathat Pinpithak, Masashi Ikegami, Tsutomu Miyasaka
  • 雑誌名: ACS Applied Material and Interfaces 巻: 10 (11) 号: 11 ページ: 9547-9554
  • DOI: 10.1021/acsami.8b00430
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solid-state Thin Film Dye-Sensitized Solar Cell Co-Sensitized with Methylammonium Lead Bromide Perovskite (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Pinpithak, A. Kulkarni, H.-W. Chen, M. Ikegami, T. Miyasaka
  • 雑誌名: Bulletin of Chemical Society of Japan 巻: 91 (5) 号: 5 ページ: 754-760
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170423
  • NAID: 130006734118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of spiro-OMeTAD in performance deterioration of perovskite solar cells at high temperature and reuse of the perovskite films to avoid Pb-waste (2018)
  • 著者名/発表者名: Jena Ajay Kumar、Numata Youhei、Ikegami Masashi、Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 6 号: 5 ページ: 2219-2230
  • DOI: 10.1039/c7ta07674f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stable and efficient perovskite solar cells fabricated using aqueous lead nitrate precursor: Interpretation of the conversion mechanism and renovation of the sequential deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: Hsieh Tsung-Yu、Su Tzu-Sen、Ikegami Masashi、Wei Tzu-Chien、Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: Materials Today Energy 巻: 1 ページ: 100125-100125
  • DOI: 10.1016/j.mtener.2018.01.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photovoltaic enhancement of bismuth halide hybrid perovskite by N-methyl pyrrolidone-assisted morphology conversion (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Kulkarni, T. Singh, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 7 号: 16 ページ: 9456-9460
  • DOI: 10.1039/c6ra28190g
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lead-free perovskite solar cells using Sb and Bi-based A3B2X9 and A3BX6 crystals with normal and inverse cell structures (2017)
  • 著者名/発表者名: Baranwal Ajay Kumar、Masutani Hideaki、Sugita Hidetaka、Kanda Hiroyuki、Kanaya Shusaku、Shibayama Naoyuki、Sanehira Yoshitaka、Ikegami Masashi、Numata Youhei、Yamada Kouji、Miyasaka Tsutomu、Umeyama Tomokazu、Imahori Hiroshi、Ito Seigo
  • 雑誌名: Nano Convergence 巻: 4 号: 1 ページ: 26-26
  • DOI: 10.1186/s40580-017-0120-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Poly(4-Vinylpyridine)-Based Interfacial Passivation to Enhance Voltage and Moisture Stability of Lead Halide Perovskite Solar Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Chaudhary Bhumika、Kulkarni Ashish、Jena Ajay Kumar、Ikegami Masashi、Udagawa Yosuke、Kunugita Hideyuki、Ema Kazuhiro、Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: 10 号: 11 ページ: 2473-2479
  • DOI: 10.1002/cssc.201700271
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solution-Processed Transparent Nickel-Mesh Counter Electrode with in-Situ Electrodeposited Platinum Nanoparticles for Full-Plastic Bifacial Dye-Sensitized Solar Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Khan Arshad、Huang Yu-Ting、Miyasaka Tsutomu、Ikegami Masashi、Feng Shien-Ping、Li Wen-Di
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 9 号: 9 ページ: 8083-8091
  • DOI: 10.1021/acsami.6b14861
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning of perovskite solar cell performance via low-temperature brookite scaffolds surface modifications (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Singh, Y. Udagawa, M. Ikegami, H. Kunugita, K. Ema, and T. Miyasaka,APL Materials
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 5 号: 1 ページ: 016103-016103
  • DOI: 10.1063/1.4973892
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An Ultrathin Sputtered TiO2 Compact Layer for Mesoporous Brookite-based Plastic CH3NH3PbI3－xClx Solar Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Kogo Atsushi, Iwasaki Shinichi, Ikegami Masashi, Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 46 ページ: 530-532
  • NAID: 130005549091
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photovoltaic Properties of Two-dimensional (CH3(CH2)3NH3)2PbI4 Perovskite Crystals Oriented with TiO2 Nanowire Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Sanehira Yoshitaka, Numata Youhei, Ikegami Masashi, Miyasaka Tsutomu
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 46 号: 8 ページ: 1204-1206
  • DOI: 10.1246/cl.170428
  • NAID: 130005906940
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Steady state performance, photo-induced performance degradation and their relation to transient hysteresis in perovskite solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: A. K. Jena, A. Kulkarni, M. Ikegami, T. Miyasaka
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 309 ページ: 1-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anatase and Brookite Electron Collectors from Binder-free Precursor Pastes for Low-temperature Solution-processed Perovskite Solar Cells (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kogo, Y. Sanehira, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 45 号: 2 ページ: 143-145
  • DOI: 10.1246/cl.151007
  • NAID: 130005124753
  • ISSN: 0366-7022, 1348-0715
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of Electron Transporting Layer on Bismuth-Based Lead-Free Perovskite (CH3NH3)3 Bi2I9 for Photovoltaic Applications (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Singh, A. Kulkarni, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 8 号: 23 ページ: 14542-14547
  • DOI: 10.1021/acsami.6b02843
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] SnOx-Brookite TiO2 Bilayer Electron Collector for Hysteresis-less High Efficiency Plastic Perovskite Solar Cells Fabricated at Low Process Temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kogo, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 52 号: 52 ページ: 8119-8122
  • DOI: 10.1039/c6cc02589g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revealing and reducing the possible recombination loss within TiO2 compact layer by incorporating MgO layer in perovskite solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kulkarni, A. K. Jena, H.-W. Chen, Y. Sanehira, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 雑誌名: Solar Energy 巻: 136 ページ: 379-384
  • DOI: 10.1016/j.solener.2016.07.019
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficiency Enhancement of Hybrid Perovskite Solar Cells with MEH-PPV Hole-Transporting Layers (2016)
  • 著者名/発表者名: H. -W. Chen, T. -Y. Huang, T. -H. Chang, Y. Sanehira, C. -W. Kung, C. -W. Chu, M. Ikegami, T. Miyasaka and K. -C. Ho
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 34319-34319
  • DOI: 10.1038/srep34319
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] X 線回折法を用いた FA0.85Cs0.15PbI3分解過程の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小薗江幹太、池上和志、宮坂 力、小林大輔、山本知之、廣瀬和之
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] バンドギャップのチューニングによるNbドープ酸化チタン／ペロブスカイト太陽電池の高効率化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 實平義隆、柴山直之、沼田陽平、池上和志、宮坂 力
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] FA0.85Cs0.15PbI3/MO2（M = Ti, Sn）の熱安定性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小薗江幹太、池上和志、宮坂 力、小林大輔、山本知之、廣瀬和之
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高結晶性酸化チタンナノ微粒子をコンパクト層として用いる低温製膜ペロブスカイト太陽電池 (2018)
  • 著者名/発表者名: 塚本絢穂、池上和志、宮坂 力
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会、名古屋国際会議場
• [学会発表] インクジェット法によるトリプルカチオンペロブスカイト層の成膜とその光電変換特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 戸邉智之、船山遼斗、岩橋秀樹、遠藤聡人、實平義隆、沼田陽平、池上和志、宮坂 力
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ぺロブスカイト太陽光電池における透明電極基板への酸化チタン微粒子層の低温製膜とその抵抗評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大曽根真輝、池上和志、宮坂 力
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会、名古屋国際会議場
• [学会発表] 低温製膜ペロブスカイト太陽電池における高結晶性酸化チタンを用いる透明導電性基板の表面処理法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 阿部剛志、池上和志、宮坂 力
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Evaluation of perovskite solar cells under irradiation with respect to carrier lifetime and structure for space application (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kanaya, D. Erdmann, G. M. Kim, M. Ikegami, Y. Numata, T. Miyasaka, Y. Hazama, H. Akiyama, K. Suzuki, K. Osonoe, T. Yamamoto, Y. Miyazawa, H. Toyota, and K. Hirose
  • 学会等名: World Conference on Photovoltaic Energy Conversion(WCPEC-7)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of light harvesting and photovoltaic properties by synergistic effect between indoline dye and methylammonium lead bromide perovskite on mesoporous TiO2 thin film (2017)
  • 著者名/発表者名: ピンピタック ピラタット、クルカルニ アシシ、池上 和志、宮坂 力
  • 学会等名: 電気化学会第84回大会
  • 発表場所: 首都大学東京南大沢キャンパス
  • 年月日: 2017-03-25
• [学会発表] Bismuth based Light Absorbing Materials for Lead Free Perovskite Solar Cell (2017)
  • 著者名/発表者名: クルカルニ アシシ、池上 和志、宮坂 力
  • 学会等名: 電気化学会第84回大会
  • 発表場所: 首都大学東京南大沢キャンパス
  • 年月日: 2017-03-25
• [学会発表] ハロゲン化鉛ペロブスカイト厚膜の作製とその光電特性の基礎検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 市井 諒、 池上 和志、 宮坂 力
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 低温製膜TiOx/ブルッカイトTiO2電子収集層による高効率ペロブスカイト太陽電池 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古郷 敦史、 實平 義隆、 沼田 陽平、 池上 和志、 宮坂 力
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] A. Kogo, Y. Sanehira, M. Ikegami, and T. Miyasaka, "Brookite TiO2-based high performance perovskite solar cells by low temperature fabrication (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Kogo, Y. Sanehira, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 学会等名: Asia Pacific Hybrid and Organic Photovoltaics Conference (AP-HOPV17)
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-02-03
  • 国際学会
• [学会発表] Crystalline orientation effect of 2D-perovskite on photovoltaic properties of solar cells prepared on TiO2 nanowire array (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sanehira, Y. Numata, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 学会等名: Asia Pacific Hybrid and Organic Photovoltaics Conference (AP-HOPV17)
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-02-03
  • 国際学会
• [学会発表] Performance degradation and possible recycle of the perovskite films to recover the cell performance (2017)
  • 著者名/発表者名: A.Jena, M. Ikegami, andT. Miyasaka
  • 学会等名: Asia Pacific Hybrid and Organic Photovoltaics Conference (AP-HOPV17)
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-02-03
  • 国際学会
• [学会発表] Photosensitive diode characteristics of thick CH3NH3PbI3 layers on TCO substrates (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Ichii, M. Ikegami, and T. Miyasaka
  • 学会等名: Asia Pacific Hybrid and Organic Photovoltaics Conference (AP-HOPV17)
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2017-02-03
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Flexible Substrates for perovskite solar cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikegami Masashi
  • 学会等名: 11th Aseanian Conference on Nano-Hybrid Solar Cells (NHSC11)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ブルッカイト型TiO2電子収集層による高効率低温製膜ペロブスカイト太陽電池 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古郷 敦史，實平 義隆，沼田 陽平，池上 和志，宮坂 力
  • 学会等名: 第78回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] インクジェット製膜法によるペロブスカイト光発電層における液滴サイズの検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 戸邉 智之、岩橋 秀樹、遠藤 聡人、實平 義隆、沼田 陽平、池上 和志、宮坂 力
  • 学会等名: 第78回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 酸化チタン超ナノ微粒子を用いたペロブスカイト太陽電池メソポーラス層の低温製膜 (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山 航汰、實平 義隆、沼田 陽平、宮坂 力、池上 和志
  • 学会等名: 第78回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 水蒸気加熱法による酸化チタン多孔膜のナノ構造制御とペロブスカイト太陽電池への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 實平 義隆, 沼田 陽平, 池上 和志, 宮坂 力
  • 学会等名: 第78回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 水系前駆体溶液を用いたペロブスカイト太陽電池の低温製膜法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 池上和志
  • 学会等名: 2016年度有機エレクトロニクスシンポジウム
  • 発表場所: 京都大学宇治キャンパス きはだホール
  • 年月日: 2016-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] ナノ構造制御による二次元ペロブスカイトの結晶配向性と太陽電池特性への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 實平 義隆, 古郷 敦史, 沼田 陽平, 池上 和志, 宮坂 力
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] LiイオンドープBrookite TiO2を用いたペロブスカイト太陽電池 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古郷 敦史, 實平 義隆, 沼田 陽平, 池上 和志, 宮坂 力
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ
  • 年月日: 2016-09-13