高性能Snペロブスカイト太陽電池のための半導体材料開発

• 研究課題/領域番号: 21J14762
• 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
• 審査区分: 小区分36020:エネルギー関連化学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: Hu Shuaifeng 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2021-04-28 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2022年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2021年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: ペロブスカイト / パッシベーション / 表面化学 / 太陽電池 / 電荷回収

研究開始時の研究の概要

本研究は、Snペロブスカイト太陽電池の高性能化に向けた課題として、1) Snペロブスカイト薄膜の結晶成長速度制御による欠陥構造の低減（JSCの向上）、2) 電荷回収層材料とのエネルギー準位制御（VOCの向上）に着目し、これらに対して材料化学の視点から独自のアプローチにより半導体材料開発を展開することで、光電変換効率の飛躍的な向上の実現を目指すものである。

研究実績の概要

Sn-Pb系ペロブスカイト太陽電池の高性能化を目指し、独自に開発したペロブスカイト層の表面パッシベーションの効果とそのメカニズムの詳細を明らかにした。
ペロブスカイト層の上下表面の構造修飾法として、表面をEDAI2、下面をグリシン塩酸塩で選択的に構造修飾する手法を考案し、それぞれ電子と正孔の取り出しの観点から、適したダイポールを持たせたこれらのパッシベーションが有効に作用し、理論限界に迫る高い開放電圧を得るとともに、Snを含むペロブスカイト太陽電池としても世界最高値である23.6%の光電変換効率を達成した。
さらに、一連のジアミンやフラーレンのカルボン酸誘導体を用いたパッシベーション法が、溶液でプロトン移動しながら、選択的にSn-Pbペロブスカイト界面を構造修飾するメカニズムについて、各種先端分光法と理論計算の結果と合わせて明らかにした。
具体的には、ペロブスカイト薄膜の表面をピペラジン（PP）などのジアミンで処理することで、表面でのプロトン移動反応によりジアンモニウムで構造修飾することが可能であり、さらにフラーレンのトリカルボン酸誘導体（CPTA）を塗布することで、ペロブスカイト薄膜表面のスズ上に選択的に配位結合できることを見出した。これらを組み合わせた相乗的表面修飾法により、Snを含むペロブスカイト太陽電池で22.7%の光電変換効率を達成するとともに、窒素ガス雰囲気下で>2000時間、空気中でも>450 時間でも90%以上の出力を保つ高い耐久性を実現した。
これらの成果は、論文発表後1年未満でhot paper （Top0.1%高被引用論文）として取り上げられるなど、ペロブスカイト太陽電池の高性能化に対する手法の新潮流を生み出したものとして、国内外で注目を集めている。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Oxford(英国)
• [国際共同研究] Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] Universidad de Valencia(スペイン)
• [雑誌論文] Prospects for Tin-Containing Halide Perovskite Photovoltaics (2023)
  • 著者名/発表者名: Hu Shuaifeng、Smith Joel A.、Snaith Henry J.、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Precision Chemistry 巻: 1 号: 2 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1021/prechem.3c00018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] BAr2‐bridged Azafulvene Dimers with Tunable Energy Levels for Photostable Near‐infrared Dyes (2023)
  • 著者名/発表者名: Tan Tiancheng、Nakamura Tomoya、Murdey Richard、Hu Shuaifeng、Truong Minh Anh、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Chemistry-A European Journal 巻: － 号: 34 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1002/chem.202300529
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tripodal Triazatruxene Derivative as a Face-On Oriented Hole-Collecting Monolayer for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Truong Minh Anh、Murdey Richard、Yamada Takumi、Hira Shota、Xie Lingling、Nakamura Tomoya、Shioya Nobutaka、Kan Daisuke、Tsuji Yuta、Iikubo Satoshi、Yoshida Hiroyuki、Shimakawa Yuichi、Hasegawa Takeshi、Kanemitsu Yoshihiko、Suzuki Takanori、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 13 ページ: 7528-7539
  • DOI: 10.1021/jacs.3c00805
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synergistic Surface Modification of Tin?Lead Perovskite Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Hu Shuaifeng、Zhao Pei、Nakano Kyohei、Oliver Robert D. J.、Pascual Jorge、Smith Joel A.、Yamada Takumi、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Shioya Nobutaka、Hasegawa Takeshi、Ehara Masahiro、Johnston Michael B.、Tajima Keisuke、Kanemitsu Yoshihiko、Snaith Henry J.、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 35 号: 9 ページ: 2208320-2208320
  • DOI: 10.1002/adma.202208320
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Challenges and strategies toward long-term stability of lead-free tin-based perovskite solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Ece Aktas, Nagalingam Rajamanickam, Jorge Pascual, Shuaifeng Hu, Mahmoud H. Aldamasy, Diego Di Girolamo, Wenhui Li, Giuseppe Nasti, Eugenia Martinez-Ferrero, Atsushi Wakamiya, Emilio Palomares, Antonio Abate
  • 雑誌名: Commun. Mater. 巻: 3 号: 1 ページ: 104-104
  • DOI: 10.1038/s43246-022-00327-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Universal Surface Treatment for p-i-n Perovskite Solar Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 号: 50 ページ: 56290-56297
  • DOI: 10.1021/acsami.2c15989
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Perovskite/Perovskite Tandem Solar Cells in the Substrate Configuration with Potential for Bifacial Operation (2022)
  • 著者名/発表者名: Lidon Gil-Escrig, Shuaifeng Hu, Kassio P. S. Zanoni, Abhyuday Paliwal, M. Angeles Hernandez-Fenollosa, Cristina Roldan-Carmona, Michele Sessolo, Atsushi Wakamiya, Henk J. Bolink
  • 雑誌名: ACS Materials Lett. 巻: 4 号: 12 ページ: 2638-2644
  • DOI: 10.1021/acsmaterialslett.2c01001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Using High-Purity Starting Materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Tomoya、Otsuka Kento、Hu Shuaifeng、Hashimoto Ruito、Morishita Taro、Handa Taketo、Yamada Takumi、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 5 号: 12 ページ: 14789-14798
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02144
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Operational stability, low light performance, and long-lived transients in mixed-halide perovskite solar cells with a monolayer-based hole extraction layer (2022)
  • 著者名/発表者名: Murdey Richard、Ishikura Yasuhisa、Matsushige Yuko、Hu Shuaifeng、Pascual Jorge、Truong Minh Anh、Nakamura Tomoya、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Solar Energy Materials and Solar Cells 巻: 245 ページ: 111885-111885
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2022.111885
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optimized carrier extraction at interfaces for 23.6% efficient tin-lead perovskite solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Hu Shuaifeng、Otsuka Kento、Murdey Richard、Nakamura Tomoya、Truong Minh Anh、Yamada Takumi、Handa Taketo、Matsuda Kazuhiro、Nakano Kyohei、Sato Atsushi、Marumoto Kazuhiro、Tajima Keisuke、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Energy & Environmental Science 巻: -- 号: 5 ページ: 000-000
  • DOI: 10.1039/d2ee00288d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mixed lead-tin perovskite films with >7 μs charge carrier lifetimes realized by maltol post-treatment (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Shuaifeng、Truong Minh Anh、Otsuka Kento、Handa Taketo、Yamada Takumi、Nishikubo Ryosuke、Iwasaki Yasuko、Saeki Akinori、Murdey Richard、Kanemitsu Yoshihiko、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 号: 40 ページ: 13513-13519
  • DOI: 10.1039/d1sc04221a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Understanding the Surface Characteristics of Tin-lead Perovskites (2022)
  • 著者名/発表者名: Shuaifeng Hu
  • 学会等名: The 32nd Symposium on Physical Organic Chemistry
• [学会発表] Interfacial Modifications for Efficient Tin-Lead Perovskite Solar Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Shuaifeng Hu
  • 学会等名: 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
  • 国際学会
• [学会発表] Interface Modification Strategies Using Surfactants for 23.6% Efficient Tin-Lead Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuaifeng Hu
  • 学会等名: 第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Efficient Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells: Effects of Ammonium-Headed Surfactant (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuaifeng Hu
  • 学会等名: 第48回有機典型元素化学討論会
• [備考] Synergistic Surface Modification
  • URL: https://doi.org/10.1002/adma.202208320
• [備考] Perovskite/Perovskite Tandem Solar Cells
  • URL: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c01001
• [備考] Long-term stability of Pb-free Sn-based PSCs
  • URL: https://doi.org/10.1038/s43246-022-00327-2
• [産業財産権] 化学研究所 (2021)
  • 発明者名: 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • 権利者名: 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021
  • 取得年月日: 2022
  • 外国
• [産業財産権] 化学研究所 (2021)
  • 発明者名: 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • 権利者名: 若宮淳志， Shuaifeng Hu
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021
  • 取得年月日: 2021