京大、安定なペロブスカイト太陽電池の設計指針を発見

OPTRONICS ONLINE
京大、安定なペロブスカイト太陽電池の設計指針を発見

Kyoto-univ_CH3NH3PBI3_AFM_image.jpg
図1 CH3NH3PbI3ペロブスカイト膜のAFM像

JST戦略的創造研究推進事業において、京都大学の研究グループは、
エネルギー変換効率19%以上の高効率ペロブスカイト太陽電池を用いて発電メカニズムを解析し、
電流が発生する効率はほぼ100%であり、電圧も理論限界にまで向上可能なことを明らかにしたとしています。


ペロブスカイト太陽電池は、エネルギー変換効率は20%を超えるものが報告されるようになったものの、
製膜条件により発電特性にばらつきが見られたり、電圧掃引方向によって異なる発電特性を示す(ヒステリシス)という
現象が見られるなど、再現性が悪く、発電機構の定量的な研究を系統的に行なうことはできなかったとのこと。

ばらつきの主な原因は、無機結晶材料を溶液からの塗布プロセスにより急速に製膜するため、
緻密で平滑なペロブスカイト結晶の膜を再現良く作製するのが難しいという点にあります。
そこで、緻密で平滑な結晶膜を作る研究が進み、比較的品質の良い結晶を得る手法が報告されています。
新しい製膜法の開発により、15%程度の変換効率が再現良く報告されるようになっています。

ペロブスカイト太陽電池では、結晶の質やサイズ(粒径)と発電特性との関係についての定量的な研究は、
再現性やヒステリシスの問題からこれまでほとんどなされていなかったとのこと。
研究では、ペロブスカイトをスピンコート法により製膜する際に、クロロベンゼン溶液を
スピンコート中に滴下するFDC法により比較的緻密で平滑なペロブスカイト膜を製膜し、
効率が高く再現性の良い素子を作製しています。

Kyoto-univ_CH3NH3PBI3_SEM_image.jpg
図2 CH3NH3PbI3ペロブスカイト太陽電池の断面SEM像

また、発電層を構成するペロブスカイト結晶の粒径によって発電特性がどのように変化するのかを
検討するため、負極としてTiO2緻密膜を用いたペロブスカイト太陽電池を採用しています。
TiO2多孔膜ではなく、TiO2緻密膜を採用し、素子構造を最適化することで、
高効率化とヒステリシスの抑制に成功したとしています。

このペロブスカイト膜を使用した研究成果により、ペロブスカイト太陽電池の短絡電流密度(JSC)、
開放電圧(VOC)に対するペロブスカイトの粒径依存性を、定量的に解析することが可能となったとのこと。

Kyoto-univ_CH3NH3PBI3_I-V_image.jpg
図3 種々の粒径(膜厚)を持つペロブスカイト太陽電池の電流-電圧曲線

Kyoto-univ_CH3NH3PBI3_IQE-EQE_image.jpg
図4 種々のペロブスカイト粒径(膜厚)のペロブスカイト太陽電池の発電特性

その結果、電流が発生する効率は、粒径によらずほぼ100%であり電圧については粒径が大きなものほど
トラップを介した再結合が抑制されることで増加しますが、依然としてトラップの存在が
ロス過程となっていることが分かったとしています。

Kyoto-univ_CH3NH3PBI3_model_image.gif
図5 開放電圧の解析に用いた再結合モデル

今回の解析結果を基に、これまでに報告されている中で最もトラップ密度の低い
単結晶ペロブスカイトレベルにまでトラップ密度を下げることができたと想定した時のVOCを予測すると、
ほぼ理論限界値にまで向上しうることが分かったとのことです。

今回の予測は、架空のパラメータによる予測値とは異なり、実際の実験値に基づくものなので
実現可能なものといえるとしています。単結晶ペロブスカイトでは、今回考慮したトラップを介した
再結合以外の新たなロス機構が関与する可能性もありますが、一つ一つ解決していくことで、
シリコン太陽電池に迫るエネルギー変換効率25%のペロブスカイト太陽電池の実現が期待されるとしています。

JST・京都大学ニュースリリース
ペロブスカイト太陽電池の不安定性を改善、理論限界への設計指針を発見
~新型太陽電池のポテンシャルを見極める~


当ブログ関連記事
NEDOら、薄膜系太陽電池で世界最高の変換効率を達成
NIMS、高信頼/高効率ペロブスカイト太陽電池を開発
長波長の太陽光を利用できる材料の製造法を開発
NIMS、ペロブスカイト太陽電池の劣化/低再現性の原因を証明

    
関連記事
スポンサーサイト

この記事へのコメント

トラックバック

URL :

プロフィール

miyabi

  • Author:miyabi
  • 2013/1よりディスプレイ周りの技術情報を掲載。

    Twitter @deep2black
カレンダー
07 | 2017/08 | 09
- - 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30 31 - -
最近の記事
タグリスト
カテゴリー
アーカイブ
リンク
人気記事
ブログ内検索
関連書籍
RSSフィード
Twitter