OIST,ペロブスカイト電池での水分の役割を解明


沖縄科学技術大学院大学(OIST)の研究チームは,ペロブスカイト太陽電池は作製後,数時間空気に触れさせる工程により発電効率が向上する原理に,科学的な解釈を与える発見をした(ニュースリリース)。

ペロブスカイト太陽電池は開発されてから10年に満たないにも関わらず,エネルギー効率は開発当初の2倍になり,現在では22%を超える発展を遂げている。さらに結晶シリコン太陽電池より軽く,安価で,柔軟性がある。

ペロブスカイト太陽電池の効率を向上させるために,なぜ空気にさらす必要があるのかを確かめるため,研究チームは太陽電池の一番上の層に着目した。

最上層の「ホール輸送層」は,材料の導電性を向上させるドーパントを含む。ホール輸送層のドーパントがペロブスカイト太陽電池の性能に重大な影響を及ぼしていることが知られているが,その原理は明確ではなかった。

研究チームは,酸素と窒素,そして空気中の水蒸気に着目し,条件を変えながらホール輸送層を気体にさらし,様々な手法を用いてホール輸送層の電気特性を調べ,輸送層の内部の変化を検証した。

その結果,酸素と窒素はドーパントの再配分には影響していないことが分かった。一方で,水蒸気の場合は太陽電池の効率が上昇することが分かった。

輸送層には,小さなピンホールが多数存在し,気体がそこから下の層へ通過する。輸送層にはドーパントとして,リチウム塩(LiTFSI)が添加されている。

塩であることから,このドーパントは吸湿性の性質を持つ。太陽電池が水蒸気にさらされると,輸送層によって吸収された水分がドーパントの再配分を引き起す。しかし,水蒸気にさらす時間が長すぎると,逆に太陽電池に悪影響がもたらされるという。

研究チームは太陽電池の性能における酸素の役割りについても確認した。酸素も輸送層の導電性の向上に貢献するが,その効果は持続しない一方,水蒸気に適切な時間さらすことで,電気特性は恒久的に向上することがわかった。

今回,直観的な印象とは異なり,ペロブスカイト太陽電池が正常に機能するために水分が必要だということが判明した。水分の有効性を裏付ける原理が解明されたことで,ペロブスカイト太陽電池の更なる性能向上がもたらされるとしている。

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