| 研究課題/領域番号 |
21K04637
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| 研究機関 | 電気通信大学 |
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研究代表者 |
實平 義隆 電気通信大学, i－パワードエネルギー・システム研究センター, 研究員 (10751373)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | ペロブスカイト太陽電池 / 金属酸化物半導体薄膜 / 溶媒レス水熱合成法 |
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| 研究実績の概要 |
本課題では、溶媒レス水熱合成法により金属酸化物半導体薄膜を基板上に直接合成し、これを電子輸送層として用いることで低温プロセスによる高効率なペロブスカイト太陽電池の開発を目的とする。本合成法では、前駆体を塗布した基板を高温水蒸気雰囲気下での熱処理を行うことで、供給された水蒸気が基板表面に吸着して形成される溶液層が反応場となり、その中での水熱反応により高い結晶性を有する酸化物半導体膜が基板上に合成される。そのため、従来の水熱処理のように基板を浸漬するための大量の反応溶液を必要とせず、また緻密層と多孔層の積層構造を有するなど、特殊なナノ構造を有する機能性薄膜を得ることができる。
水蒸気処理において、前駆体膜が周囲の水蒸気を吸収して反応液層を形成するためには、親水性の高いイオン種や官能基を含有することが望ましい。同時に、これらは生成物の形状や結晶相、また太陽電池の光電変換特性にも影響する。今回は酸化チタン以外へ同手法を適用するためテトラ-ｎ-ブチルスズを前駆体として用い、潮解作用を持つ塩化マグネシウムを添加することで前駆体膜への親水性の付与と、生成物の半導体特性制御による太陽電池特性への影響について検討した。その結果、塩化マグネシウムを添加したスズ前駆体膜について、水蒸気処理処理では一般的な乾燥下での熱処理よりも生成物の結晶性が増加、また、これを電子輸送層に用いたペロブスカイト太陽電池においても太陽電池特性の向上が認められた。
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| 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
これまで、水蒸気処理によるペロブスカイト太陽電池用の電子輸送層の合成では、前駆体として四塩化チタンを用いた酸化チタン膜の合成を行ってきた。この場合、四塩化チタンの加水分解物中に含まれる多量のクロロ基、水酸基により前駆体膜が親水性を有し、同時に液相中へ溶出する塩化物イオン濃度が生成する薄膜の結晶相を決定する要因となっていた。今回は水蒸気加熱処理の汎用性を広げるため、異種金属材料へ応用として酸化スズ薄膜の合成について検討することとした。
酸化スズ薄膜合成の前駆体として塩化スズを用いた場合、四塩化チタンに比べると大気中での安定性が高いためほとんど加水分解せず、前駆体膜に水蒸気処理を行うと全て溶出してしまうことが分かった。そこで、ここでは前駆体をアルコキシドへと変更し、また、前駆体膜へ親水性を付与するため塩化マグネシウムの添加量をスズに対し0～20mol%の範囲で変化させて検討を行った。塩化マグネシウムは、酸化スズ膜をペロブスカイト太陽電池の電子輸送層として用いるとき、ペロブスカイト層から酸化スズ層へ注入された電子の逆移動による再結合を防ぐ目的で電子輸送層に添加される材料としても知られている。一般的な乾燥状況下で加熱した場合、前駆体膜は非晶質のままであり、得られた膜をペロブスカイト太陽電池とすると、塩化マグネシウムの添加量が多いほど太陽電池特性が低下する傾向にあった。一方、水蒸気存在下では前駆体の加水分解が促進され、微細なナノ粒子からなる緻密膜となることが分かった。また、太陽電池特性の評価では、塩化マグネシウムを5mol%添加した場合に最も高い太陽電池特性が得られた。これらは塩化マグネシウムの添加が水蒸気吸着による加水分解反応の促進、また酸化スズの電子構造の変化によりバリア層として電荷再結合の抑止作用が示された結果と考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
異種金属元素の複合化による機能性酸化物半導体膜の検討として、水蒸気処理法により異なる金属種を混合した酸化物半導体膜を作製し、ペロブスカイト層の電子特性制御との組み合わせにより太陽電池特性の向上を目指す。ここでは、酸化スズを主材としてAl、Zn、Ta、Inなどの添加について検討する。また、逆構造ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送層となる酸化ニッケル、酸化ビスマス、酸化タングステンについても水蒸気加熱処理により調製し、その太陽電池特性を評価することで、様々な機能性酸化物半導体膜について本手法の適用範囲の拡大を試みる。
水蒸気加熱処理の際、試料の周囲に高温高湿度の環境を保つため、現行では少量の水と前駆体を塗布した基板を容器内に密閉し、150℃程度に加熱して反応を行っている。従来の水熱合成と同様に、高温高圧下でのバッチ処理となっているため、処理できる試料のサイズや量に制限がある。常圧の環境下で目的とする高温高湿度の環境を再現できれば、処理時間の短縮や処理の簡略化が可能となることから、大気圧下で反応容器内に高温水蒸気を送り込むことで処理を行う方法についても検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度もCOVID-19の流行により大部分の国際学会がオンライン開催となり、その旅費として計上していた予算がそのまま残る形となった。また、外部に依頼する予定だった測定や、購入する予定だったいくつかの装置について、大学、研究室に同等の装置があったため、購入予定を変更した。繰り越した予算は、ガラス基板の加工、太陽電池の作製工程にあると便利な機器類の購入に充て、効率的な材料開発を展開していく予定である。
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