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2021 年度 実施状況報告書

独自の電荷回収層材料の開発によるスズ系ペロブスカイト太陽電池の高性能化

研究課題

研究課題/領域番号 20K22531
研究機関京都大学

研究代表者

TRUONG MINHANH  京都大学, 化学研究所, 助教 (40792718)

研究期間 (年度) 2020-09-11 – 2023-03-31
キーワード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
研究実績の概要

ペロブスカイト太陽電池の高性能化には、光吸収材料であるペロブスカイト層の開発および作製法の改良に加えて、そこで光吸収により生成する電荷を効率的に回収する半導体材料の開発も重要となっている。従来の正孔回収材料(HTM)が10-200 nmのバルク層として用いられてきた。しかし、HTM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、従来のバルクHTM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 型のドーパントやLiTFSI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。そこで、ペロブスカイト太陽電池デバイスの性能を向上させるためには、優れた添加剤フリー正孔回収材料の開発が重要となる。
本研究では、ペロブスカイト太陽電池の発電メカニズムを考えると、必ずしもバルクの厚膜HTM層を必要としないことに着眼した。すなわち、選択的に正孔を回収するために必要な電子構造をもつ分子を設計し、これを単分子層として透明導電性基板上に被覆率よく成膜できれば、これまでバルクの有機半導体材料の欠点に由来していた導電性や耐久性などの課題が解決でき、太陽電池の特性をさらに向上できるものと考えた。本研究では、トリアザトルキセン骨格に、導電性金属酸化物への吸着が可能なホスホン酸基を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する。合成した化合物のDMF溶液から透明導電性基板上にスピンコートすることで基板表面に単分子膜が得られるとわかった。また、これらのHTMを用いた太陽電池23.0%の光電変換効率及び優れた安定性を示したことがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

「研究実績の概要」に示したとおり、当初の研究目的・研究実施計画に従って順調に研究を遂行し、研究成果を公にすることができたから。

今後の研究の推進方策

デバイス特性の更なる向上に向けて、一つの重要な課題は単分子膜上の濡れ性である。今後の研究として、ペロブスカイト半導体がアルキルアンモニウムやハライドを構成イオンにもつことに着目し、ペロブスカイト半導体の界面に結合親和性のある官能基(-NH3X、-OH、-SH、-SO3H等)を π 共役骨格の二つ目のアンカー基として導入した第2世代正孔回収単分子材料を合成する。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望ましい face-on の配向を保持しながら、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。
さらに、この単分子膜材料のアプローチを,スズ系のペロブスカイト太陽電池に適用するためには、より浅いHOMO準位(>-5.0 eV)をもつ正孔回収材料が必要である。その基本骨格として、ヘテロ原子で架橋したトリフェニルアミン骨格に着目した。DFT計算の結果から、架橋原子を窒素、酸素、または硫黄とすることで、対応する分子のHOMO準位は、広範囲にわたり制御可能であることを確認している。架橋ヘテロ原子の異なる組み合わせをもつこれらの標的分子群を系統的に合成する。中央の窒素のパラ位に導入したアリールホスホン酸などのアンカーの種類も分子全体の電子構造や配向に影響を及ぼすため、この点も含めて検討を進める。

次年度使用額が生じた理由

コロナの影響で、参加を予定していた学会や研究会などの中止や延期、オンライン開催になったため。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Optimized carrier extraction at interfaces for 23.6% efficient tin-lead perovskite solar cells2022

    • 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: 15 ページ: 2096~2107

    • DOI

      10.1039/D2EE00288D

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Near-Ultraviolet Transparent Organic Hole-Transporting Materials Containing Partially Oxygen-Bridged Triphenylamine Skeletons for Efficient Perovskite Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Truong Minh Anh、Lee Hayoon、Shimazaki Ai、Mishima Ryota、Hino Masashi、Yamamoto Kenji、Otsuka Kento、Handa Taketo、Kanemitsu Yoshihiko、Murdey Richard、Wakamiya Atsushi
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 4 ページ: 1484~1495

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c02677

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mixed lead-tin perovskite films with >7 μs charge carrier lifetimes realized by maltol post-treatment2021

    • 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 ページ: 13513~13519

    • DOI

      10.1039/D1SC04221A

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Starburst Carbazole Derivatives as Efficient Hole Transporting Materials for Perovskite Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Jegorove Aiste、Truong Minh Anh、Murdey Richard、Daskeviciene Maryte、Malinauskas Tadas、Kantminiene Kristina、Jankauskas Vygintas、Getautis Vytautas、Wakamiya Atsushi
    • 雑誌名

      Solar RRL

      巻: 6 ページ: 2100877~2100877

    • DOI

      10.1002/solr.202100877

    • 査読あり
  • [学会発表] トリアザトリキセン骨格を用いた高性能ペロブスカイト太陽電池の正孔回収単分子膜材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      船崎 司、ルーカス ユーベリッケ、能條 航、ミンアン チョン、リチャード マーデイー、山田 琢允、中村 智也、シュアイフェン フ、金光 義彦、鈴木 孝紀、若宮 淳志
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      ルーカス ユーベリッケ、船崎 司、中村 智也、リチャード マーデイー、ミンアン チョン、若宮 淳志
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
  • [学会発表] トリアザトリキセン骨格を用いたペロブスカイト太陽電池の正孔回収材料の開発2021

    • 著者名/発表者名
      チョン ミンアン、能條 航、ユーベリッケ ルーカス バイト、船崎 司、中村 智也、マーデイー リチャード、鈴木 孝紀、若宮 淳志
    • 学会等名
      第31回基礎有機化学討論会
  • [学会発表] 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材料の開発2021

    • 著者名/発表者名
      チョン ミンアン、能條 航、ユーベリッケ ルーカス バイト、船崎 司、堀内 保、中村 智也、マーデイー リチャード、鈴木 孝紀、若宮 淳志
    • 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(第1回日本太陽光発電学会学術講演会)
  • [学会発表] トリアザトリキセン骨格を用いたマルチポット型単分子膜材料2021

    • 著者名/発表者名
      ユーベリッケ ルーカス、能條 航、船崎 司、中村 智也、マーデイー リチャード、チョン ミンアン、鈴木 孝紀、若宮 淳志
    • 学会等名
      第48回有機典型元素化学討論会

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公開日: 2022-12-28  

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