岡山大ら,ペロブスカイト太陽電池を長寿/高性能化

岡山大学と中国南方科技大学は,次世代太陽電池として期待されているペロブスカイト太陽電池の性能と安定性を向上する添加剤分子として「ベンゾフェノン(BP)」を発見した(ニュースリリース)。

ペロブスカイト太陽電池は,シリコン太陽電池に代わる次世代の太陽電池として期待されている一方,空気中の水分と反応し,容易に性能が低下することが課題となっている。

研究では,低分子添加剤であるBPが,ペロブスカイト太陽電池の性能と安定性に及ぼす影響を調べた。具体的には,FAPbI3のペロブスカイト前駆体溶液にBPを導入し,ITO/PEDOT:PSS/BP:FAPbI3/PC60BM/BCP/Agの積層構造を持つ太陽電池を作製した。

2mg/mLの最適濃度でBPを添加することで,太陽電池の出力特性(電流∸電圧特性)に現れるヒステリシスを抑制するとともに,太陽電池のPCEをBP添加無しの13.12%から18.84%へと大幅に向上した。

特筆すべきことに,BPベースの太陽電池は,相対湿度30%の大気中,25℃で700時間保存した後も,初期PCEの90%程度を維持した。対照的に,BPを添加しなかった場合,PCEは急速な劣化を示し,同じ条件下で300時間以内に初期値の30%しか維持できなかった。

次に,BPの添加がペロブスカイト薄膜の表面形状と結晶性にどのような影響を与えるかを調べたところ,BPを添加しなかった場合は,太陽電池の性能を阻害する多数の結晶粒界(GB)が観測された。一方で,2mg/mLのBPを添加した場合は,結晶が大きくGBの少ない,より滑らかで緻密なペロブスカイト薄膜が得られた。この膜質の向上により,太陽電池の性能と環境安定性が向上すると考えられる。

これは,ペロブスカイト膜の粒界不動態化に起因すると考えられるという。X線回折による構造解析から,BPの添加によって光に対して不安定な δ 相から,安定な α 相FAPbI3への構造変化が促進されたことが明らかになった。

このメカニズムとして,酸素ドナーであるルイス塩基を有するBP分子と,FAPbI3中のPb2+および FA+の分子間相互作用によって,励起キャリアのトラップによる再結合が効果的に抑制され,性能と安定性が向上したと考えられるという。

研究グループは,これらの結果から,BP分子はペロブスカイト太陽電池の性能と環境安定性を向上させる有望な添加剤であることが示されたとしている。

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