2020 Fiscal Year Research-status Report
Direction toward high-efficiency Sn perovskite solar cells analyzed by impedance
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19KK0143
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
早瀬 修二 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, 特任教授 (80336099)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沈 青 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50282926)
カマルディン ムハマドアクマル 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, 特任研究員 (60853661)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2022-03-31
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| Keywords | ペロブスカイト / 太陽電池 / Sn / インピーダンス / 高効率 / ワイドバンドギャップ / 電荷注入 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉛フリーペロブスカイトであるスズペロブスカイト太陽電池の効率向上を目指している。本年度はワイドバンドギャップ化による高効率化の試みとその結果をスペインとの共同研究(インピーダンス)で解析し、効率向上の指針を得ることを目標とした。ワイドバンドギャップスズペロブスカイト層としてXSnI2Brを選択した。これにより吸収波長端は770 nmまでブルーシフトした。ちなみにXSnI3の吸収端は900 nm程度である。Xサイトの構造最適化を検討したところ、Guanidiniumイオンを添加することによって効率が1.68%から7%まで向上した。ちなみにこの効率はワイドバンドギャップスズペロブスカイト太陽電池として報告された中で最高値である。インピーダンス解析により、Guanidiniumイオンの添加により、キャリアの寿命が広い印加電圧の範囲で大きく向上していることが分かった。この効率向上はペロブスカイトからホール輸送層へのホール注入とペロブスカイトから電子輸送層への電子注入の速度が同程度に最適化されたためと説明できた。効率向上の指針として、ホールと電子の電荷収集率のバランス化を図ることが重要であることを実証できた。本結果の一部は"High Efficiency Lead-free Wide Bandgap Perovskite Solar Cells via Guanidinium Bromide Incorporation"と題してACS Applied Energy Materialsに投稿し受理された。また実施した共同研究をまとめた論文を３報を準備中であり来季投稿する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
日本側で最適化した組成のペロブスカイト太陽電池の性能評価結果から、効率と構造の関係を実験的に求めることが可能であったが、そのメカニズム解明は日本側だけでは困難であった。スペインサイドのインピーダンス解析により、Aサイト構造の最適化により、ホールと電子の電荷収集効率を等しくし、電荷収集効率のバランスをとることが効率向上の一因になっていることを突き止めることができた。これにより、今後の効率向上の指針を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまではペロブスカイト組成と効率の関係をインピーダンス解析・時間分解解析によるキャリアダイナミックス解析により効率向上のメカニズム解明を行ってきた。最終年度は粒界およびヘテロ界面の欠陥密度減少と太陽電池効率の関係を実験的に調べ、その結果を時間分解分光法、インピーダンスを使って解析しそのメカニズムを解明する。現在新型コロナウイルスが蔓延しているために海外出張が制限されている。このため日本側で太陽電池等のインピーダンスを測定し、WEBを使ってスペインサイドと共同で解析を行う。デバイス構造のままで粒界をパッシベーションし、パッシベーション前後で電荷再結合速度、キャリア寿命、キャリア拡散距離を評価する。上記方法で求めたキャリア寿命を単膜のみでホール効果により測定した値と比較し、単膜とヘテロ界面を有するデバイスのキャリアダイナミックスの違いを議論することにより、効率向上を阻害する粒界・ヘテロ界面を特定する。ペロブスカイト層内部の結晶界面修飾により粒界界面を変化させ、その変化から粒界界面のトラップ分布、インピーダンスを測定し、結晶粒界と太陽電池特性、電子物性の相関を議論する。Pbペロブスカイト、SnPb混合金属ペロブスカイト、SnペロブスカイトとSn含量を変えたペロブスカイト太陽電池のトラップ密度解析、トラップ深さ解析、キャリアダイナミックス、キャリア寿命、電荷移動度、電荷移動距離、キャリア密度を測定し、Snがペロブスカイト太陽電池特性に与える影響を系統的に明らかにする。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルス蔓延のため、海外出張ができず共同研究推進に支障が生じた。このため海外で行う実験を次年度に日本で実施することとし、貴重な解析をWEBを使って日本とスペインで共同で行う研究計画の変更を行った。このため一部経費を繰り越した。
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Research Products
(6 results)
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[Journal Article] High Efficiency Lead-free Wide Bandgap Perovskite Solar Cells via Guanidinium Bromide Incorporation2021
Author(s)
Mengmeng Chen, Muhammad Akmal Kamarudin, Ajay Kumar Baranwal, Gaurav Kapil, Teresa S. Ripolles, Kohei Nishimura, Daisuke Hirotani, Shahrir Razey Sahamir, Zheng Zhang, Chao Ding, Yoshitaka Sanehira, Juan Bisquert, Qing Shen, Shuzi Hayase
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Journal Title
ACS Applied Energy Materials
Volume: 未定
Pages: 未定
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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