千葉大,ペロブスカイトPVの表面評価法を確立

千葉大学は,これまで困難であったペロブスカイトの表面終端を評価できる技術を開発した(ニューリリース)。

ペロブスカイト太陽電池は,結晶内部が高品質であっても,結晶の表面でエネルギー損失が起こったり,発電した電流を取り出す効率が表面の状態に左右されるため,ペロブスカイトの表面は太陽電池の性能や寿命を大きく左右することが分かっている。

特に最表面の元素組成を意味する表面終端は,表面の性質を決定づける最も基本的な要素となる。理論計算でも,表面終端の違いによりペロブスカイト太陽電池の電流取り出し効率が大きく変わることが予想されており,ペロブスカイトの表面終端を適切に評価することは重要となる。

しかし,一般的に物質の表面構造を調べる実験手法として用いられる走査型トンネル顕微鏡では,単結晶を低温にしなければならないなど限られた条件でしか測定できず,実際の太陽電池に使われる溶液から作製したペロブスカイトの表面終端を調べることができなかった。このようなことから,広範囲な実用的ペロブスカイト材料について,容易に表面終端を決定できる評価方法が求められていた。

研究グループは,紫外光電子分光法(UPS)と準安定原子電子分光法(MAES)を組み合わせることで,表面終端を決定する方法を開発した。UPSとMAESを比較すると,どの元素が表面にあるかが判別でき,表面終端が決定できる。

研究グループは,この方法を用いて,ヨウ化鉛メチルアンモニウム(CH3NH3PbI3)という太陽電池の標準であるペロブスカイトの表面終端を調べた。理論的には,ヨウ化鉛(PbI2)とヨウ化メチルアンモニウム(CH3NH3I)の2つの表面終端の可能性があるが,測定の結果,表面終端はヨウ化メチルアンモニウム(CH3NH3I)であるとわかった。

さらに,太陽電池の電子取り出しに用いられるC60との界面をUPSと低エネルギー逆光電子分光(LEIPS)により調べたところ,ヨウ化メチルアンモニウム(CH3NH3I)が終端である場合の理論予測とよく一致した。

この手法は,表面処理による表面終端の違いも的確に評価することができるという。この成果がペロブスカイト太陽電池の表面処理の評価法として広く利用されることで,表面処理の開発研究を加速させ,次世代電池として期待が寄せられているペロブスカイト太陽電池の光電変換効率や大気安定性の向上に貢献するとしている。

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