マルチポッド型単分子膜材料を正孔回収層に用いたペロブスカイト太陽電池の高性能化

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K14744
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 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 / 水平配向

研究実績の概要

ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けては、デバイスの光電変換効率のさらなる向上と耐久性の飛躍的な向上が依然課題となっている。
ペロブスカイト層で光吸収によって生成した電荷を選択的に取り出す電荷回収材料の開発がさらなる特性向上のためのボトルネック課題となっている。従来の正孔回収材料では、各層間でのリークを防ぐために100-200 nm 程度のアモルファス性の厚膜層として用いられてきた。しかし、その材料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、従来の厚膜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。ペロブスカイト太陽電池デバイスの耐久性を向上させるためには、これらの視点から、優れた添加剤フリーp型有機半導体材料の開発が重要となる。
本研究では、長期耐久性と高い光電変換効率をもつ太陽電池を実現できる新たな有機半導体材料の開発を目指す。具体的には、トリアザトリキセンをはじめとする2次元拡張 π 共役骨格にホスホン酸などの極性基をアンカー基として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した。これらの単分子膜材料は、上下のペロブスカイト層および電極基板のそれぞれに対して水平方向に配向するため、効率的な正孔回収が可能になることが明らかになった。この単分子膜を添加剤フリー正孔回収層に用いたペロブスカイト太陽電池が23％の高い光電変換効率と長期耐久性を示すことがわかった。また、本研究ではπ 骨格の形やアンカー基の種類の効果についての検討も行った．

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」に示した通り、当初の研究目的・研究実績計画に従って順調に遂行し、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

これまで開発してきた単分子膜材料は疎水的であるため、大面積化する際に均一にペロブスカイト膜を作製することが困難である。そこで、ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けて、単分子膜上の濡れ性の問題を解決することが重要となっている。
今後の研究として、ペロブスカイト半導体材料がアルキルアンモニウムイオンやハライドイオンを持つことに着目し、ペロブスカイト半導体の界面に結合親和性のある極性官能基をπ共役骨格の二つ目のアンカー基として導入した新たな正孔回収単分子膜材料を合成する。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水平方向を示しながら、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。これで単分子膜上の濡れ性の問題を解決することができると期待している。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルス感染拡大の影響で参加予定の学会が中止やオンラインになったため。

研究成果

• [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: － ページ: e202300529
  • DOI: 10.1002/chem.202300529
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of electron-accepting substituents on the fluorescence of oxygen-bridged triarylamine (2023)
  • 著者名/発表者名: Ruito Hashimoto, Tomoya Nakamura, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Atsushi Wakamiya
  • 雑誌名: Dyes and Pigments 巻: 215 ページ: 111281
  • DOI: 10.1016/j.dyepig.2023.111281
  • 査読あり
• [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、Funasaki Tsukasa、Ueberricke Lucas、Nojo Wataru、Wakamiya Atsushi, et al.
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 7528～7539
  • DOI: 10.1021/jacs.3c00805
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synergistic Surface Modification of Tin-Lead Perovskite Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuaifeng Hu, Pei Zhao, Kyohei Nakano, Robert D. J. Oliver, Jorge Pascual, Joel A. Smith, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Nobutaka Shioya, Takeshi Hasegawa, Masahiro Ehara, Michael B. Johnston, Keisuke Tajima, Yoshihiko Kanemitsu, Henry J. Snaith, Atsushi Wakamiya
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 35 ページ: 2208320－2208320
  • DOI: 10.1002/adma.202208320
  • 査読あり / 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: Shuaifeng Hu, Jorge Pascual, Wentao Liu, Tsukasa Funasaki, Minh Anh Truong, Shota Hira, Ruito Hashimoto, Taro Morishita, Kyohei Nakano, Keisuke Tajima, Richard Murdey, Tomoya Nakamura, and Atsushi Wakamiya
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 ページ: 56290－56297
  • DOI: 10.1021/acsami.2c15989
  • 査読あり
• [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 ページ: 14789～14798
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Engineering of Enamine‐Based Hole‐Transporting Materials for High‐Performing Perovskite Solar Cells: Influence of the Central Heteroatom (2022)
  • 著者名/発表者名: Vaitukaityte Deimante、Truong Minh Anh、Rakstys Kasparas、Murdey Richard、Funasaki Tsukasa、Yamada Takumi、Kanemitsu Yoshihiko、Jankauskas Vygintas、Getautis Vytautas、Wakamiya Atsushi
  • 雑誌名: Solar RRL 巻: 6 ページ: 2200590～2200590
  • DOI: 10.1002/solr.202200590
  • 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
• [学会発表] イオン混合型スズペロブスカイト単結晶の合成と物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中村 智也, 原田 布由樹, 山田 琢允，金光 義彦，Truong Minh Anh，Richard Murdey, 若宮 淳志
  • 学会等名: 第70応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Minimizing Voltage Losses in Stable Wide Bandgap Mixed Halide Perovskite Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Richard Murdey, Ai Shimazaki, Ryuji Kaneko, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: 第70応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] マルチポッド型正孔収集材料の導電性酸化物電極上での分子配向 (2023)
  • 著者名/発表者名: 赤塚 有杜，Truong Minh Anh，若宮 淳志，吉田 弘幸
  • 学会等名: 第70応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 溶液法を用いたスズ系ペロブスカイト半導体膜の表面処理法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 原田 布由樹，中村 智也，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，若宮 淳志
  • 学会等名: 日本化学会第103春季年会
• [学会発表] ロダニン骨格を用いたペロブスカイト太陽電池の単分子電子回収材料の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三宅 悠季，中村 智也，ミンアン チョン，リチャード マーデイー，若宮 淳志
  • 学会等名: 日本化学会第103春季年会
• [学会発表] 高性能化ペロブスカイト太陽電池のためのスクアリン骨格を用いた正孔回収単分子膜材料の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 翔太 平，司 舟崎，リチャード マーデイー，中村 智也，ミンアン チョン，若宮 淳志
  • 学会等名: 日本化学会第103春季年会
• [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単分子膜材料の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: ミンアン チョン，船崎 司，ルーカス ユーベリッケ，能條 航，リチャード マーデイー，山田 琢允，シュアイフェン フ，中村 智也，塩谷 暢貴，長谷川 健，金光 義彦，鈴木 孝紀，若宮 淳志
  • 学会等名: 高分子学会第71高分子討論会
• [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: 船崎 司・ユーベリッケ ルーカス バイト・フ シュアイフェン・中村 智也・マーデイー リチャード・チョン ミンアン・若宮 淳志
  • 学会等名: 第19回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Engineering the central heteroatom of hole transporting enamines for efficient perovskite solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Deimante Vaitukaityte, Minh Anh Truong, Kasparas Rakstys, Richard Murdey, Vygintas Jankauskas, Vytautas Getautis, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: The 14th International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics (HOPV22), Valencia, Spain
  • 国際学会
• [学会発表] Systematic investigations on properties of bromide containing tin perovskites (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Tarou Morishita, Ruito Hashimoto, Taketo Handa, Yoshihiko Kanemitsu, Richard Murdey, Minh Anh Truong, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: Global Photovoltaic Conference (GPVC 2022), Gwangju, Korea
  • 国際学会
• [学会発表] Engineering the central heteroatom of hole transporting enamines for efficient perovskite solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Deimante Vaitukaityte, Minh Anh Truong, Kasparas Rakstys, Richard Murdey, Vygintas Jankauskas, Vytautas Getautis, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: The 23rd International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-23), Lausanne, Switzerland
  • 国際学会
• [学会発表] Efficient Inverted Perovskite Solar Cells Enabled by Multipodal Hole-Collecting Monolayers Based on Triazatruxene Skeleton (2022)
  • 著者名/発表者名: Minh Anh Truong, Tsukasa Funasaki, Lucas Ueberricke, Wataru Nojo, Richard Murdey, Takumi Yamada, Shuaifeng Hu, Tomoya Nakamura, Nobutaka Shioya, Takeshi Hasegawa, Yoshihiko Kanemitsu, Takanori Suzuki, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33), Nagoya, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Interfacial Modifications for Efficient Tin-lead Perovskite Solar Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Shuaifeng Hu, Pei Zhao, Kyohei Nakano, Jorge Pascual, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Nobutaka Shioya, Takeshi Hasegawa, Masahiro Ehara, Keisuke Tajima, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33), Nagoya, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Operational stability and low light performance of wide-bandgap perovskite solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Richard Murdey, Minh Anh Truong, Ai Shimazaki, Ryuji Kaneko, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33), Nagoya, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Halide segregation and the operational stability of monbolayer-based p-i-n perovskite solar cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Richard Murdey, Yasuhisa Ishikura, Yuko Matsushige, Shuaifeng Hu, Jorge Pascual, Minh Anh Truong, Tomoya Nakamura, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP23), Kobe, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Composition-Property Mapping in Bromide-Containing Tin Perovskite Prepared with High Purity Starting Materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Nakamura, Kento Otsuka, Shuaifeng Hu, Ruito Hashimoto, Taro Morishita, Taketo Handa, Takumi Yamada, Minh Anh Truong, Richard Murdey, Yoshihiko Kanemitsu, Atsushi Wakamiya
  • 学会等名: Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP23), Kobe, Japan
  • 国際学会