ナノカーボン材料を用いたぺロブスカイト型太陽電池の開発

• 研究課題/領域番号: 18J22263
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 徐 昇柱 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2020年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ / ペロブスカイト太陽電池 / ドーピング / ペロブスカイト型太陽電池 / 単層カーボンナノチューブ

研究実績の概要

今年度はカーボンナノチューブをペロブスカイト太陽電池の透明電極として応用する際に問題となる導電性やエネルギーレベルを改善できる方法について研究を行った。シングルジャンクションの太陽電池は近年その変換効率が理論効率に近づいており、更なる太陽電池の高効率化のためにはタンデム化が期待されている。ペロブスカイトとシリコン太陽電池のタンデム化を実現するためには対向透明電極の物性は極めて重要である。その条件としては1.ペロブスカイト太陽電池から透過された光がシリコン太陽電池へ効率よく届くためには透明電極のシリコン太陽電池の発電波長帯域での光学的に透明である必要があること、2.優れた電気伝導度を持つことでペロブスカイト太陽電池の変換効率を最大化すること、3.対向電極としての適切な仕事関数を持つことでペロブスカイト発電層からの電圧ロスを最小限にすること、が挙げられる。カーボンナノチューブを透明対向電極に利用する際には1の要件は満たしているものの2,3が主に課題となっている。これらの問題を解決するためにはドーピングという手法が主に行われているが既存の高いドーパントの反応性によるデバイスの劣化やドーパンとの光学的な干渉が問題となっていた。今回、バンドギャップが比較的に大きくて透明な金属酸化物である酸化モリブデンをカーボンナノチューブのドーパントとして利用することで対向透明電極をカーボンナノチューブとするペロブスカイト太陽電池を作成し、ペロブスカイト・シリコンタンデム太陽電池を想定した場合の変換効率は25.9％となった。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Carbon Nanotubes to Outperform Metal Electrodes in Perovskite Solar Cells via Dopant Engineering and Hole-Selectivity Enhancement (2020)
  • 著者名/発表者名: Jeon Il、Shawky Ahmed、Seo Seungju、Qian Yang、Anisimov Anton S.、Kauppinen Esko、Matsuo Yutaka、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: - 号: 22 ページ: 11141-11147
  • DOI: 10.1039/d0ta03692g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Denatured M13 Bacteriophage‐Templated Perovskite Solar Cells Exhibiting High Efficiency (2020)
  • 著者名/発表者名: Lin Hao‐Sheng、Lee Jong‐Min、Han Jiye、Lee Changsoo、Seo Seungju、Tan Shaun、Lee Hyuck Mo、Choi Eun Jung、Strano Michael S.、Yang Yang、Maruyama Shigeo、Jeon Il、Matsuo Yutaka、Oh Jin‐Woo
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 7 号: 20 ページ: 2000782-2000782
  • DOI: 10.1002/advs.202000782
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MoS2-carbon nanotube heterostructure as efficient hole transporters and conductors in perovskite solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Qian Yang、Seo Seungju、Jeon Il、Lin Haosheng、Okawa Shuhei、Zheng Yongjia、Shawky Ahmed、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Kong Jing、Xiang Rong、Matsuo Yutaka、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 号: 7 ページ: 075009-075009
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab9efa
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Heterogeneous integration of single-crystalline complex-oxide membranes (2020)
  • 著者名/発表者名: Kum H. S.、Lee H.、Kim S.、Lindemann S.、Kong W.、Qiao K.、Chen P.、Irwin J.、Lee J. H.、Xie S.、Subramanian S.、Shim J.、Bae S.-H.、Choi C.、Ranno L.、Seo S.、Lee S.、Bauer J.、Li H.、Lee K.、Robinson J. A.、Ross C. A.、Schlom D. G.、Rzchowski M. S.、Eom C.-B.、Kim J.
  • 雑誌名: Nature 巻: 578 号: 7793 ページ: 75-81
  • DOI: 10.1038/s41586-020-1939-z
• [雑誌論文] Semiconducting carbon nanotubes as crystal growth templates and grain bridges in perovskite solar cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Seo Seungju、Jeon Il、Xiang Rong、Lee Changsoo、Zhang Hao、Tanaka Takeshi、Lee Jin-Wook、Suh Donguk、Ogamoto Tatsuro、Nishikubo Ryosuke、Saeki Akinori、Chiashi Shohei、Shiomi Junichiro、Kataura Hiromichi、Lee Hyuck Mo、Yang Yang、Matsuo Yutaka、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 号: 21 ページ: 12987-12992
  • DOI: 10.1039/c9ta02629k
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Controlled Redox of Lithium-Ion Endohedral Fullerene for Efficient and Stable Metal Electrode-Free Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Jeon Il、Shawky Ahmed、Lin Hao-Sheng、Seo Seungju、Okada Hiroshi、Lee Jin-Wook、Pal Amrita、Tan Shaun、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Yang Yang、Manzhos Sergei、Maruyama Shigeo、Matsuo Yutaka
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 号: 42 ページ: 16553-16558
  • DOI: 10.1021/jacs.9b06418
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multifunctional Effect of p‐Doping, Antireflection, and Encapsulation by Polymeric Acid for High Efficiency and Stable Carbon Nanotube‐Based Silicon Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Qian Yang、Jeon Il、Ho Ya‐Lun、Lee Changhyun、Jeong Sujeong、Delacou Clement、Seo Seungju、Anisimov Anton、Kaupinnen Esko I.、Matsuo Yutaka、Kang Yoonmook、Lee Hae‐Seok、Kim Donghwan、Delaunay Jean‐Jacques、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 10 号: 1 ページ: 1902389-1902389
  • DOI: 10.1002/aenm.201902389
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Highly Efficient Metal-Free Semi-Transparent Perovskite Solar Cells enabled by MoO3-doped Transparent Carbon Nanotube Top Electrodes and Four-Terminal Perovskite Silicon Tandem Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Seungju Seo
  • 学会等名: 第６０回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Semiconducting carbon nanotubes as crystal growth templates and grain bridges in perovskite solar cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Seungju Seo
  • 学会等名: The Nanotube (NT) conference 19
  • 国際学会
• [学会発表] Stable MoO3 Doping of Carbon Nanotube Top Electrodes for Highly Efficient Metal-Electrode-Free Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Seungju Seo
  • 学会等名: 0th A3 Symposium on Emerging Materials : Nanomaterials for Electronics, Energy and Environment
  • 国際学会
• [学会発表] Semiconducting Single-Wall Carbon Nanotubes as Crystal Growth Templates and Grain Bridges in Perovskite Solar Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Seungju Seo, Il Jeon, Hao Zhang, Takeshi Tanaka, Hiromichi Kataura, Yutaka Matsuo, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: ICUMRS-ICHEM 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Semiconducting Single-Wall Carbon Nanotubes as Crystal Growth Templates and Grain Bridges in Perovskite Solar Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Seungju Seo, Il Jeon, Hao Zhang, Takeshi Tanaka, Jin-Wook Lee, Donguk Suh, Junichiro Shiomi, Yang Yang, Yutaka Matsuo, Hiromichi Kataura, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: NT 18
  • 国際学会