スズを含むペロブスカイト半導体の界面構造制御法の開発とメカニズム解明〜高性能多接合（タンデム）型太陽電池の実現〜

2024-12-24

2024-12-24 京都大学

若宮淳志化学研究所教授（兼：高等研究院物質―細胞統合システム拠点（iCeMS）連携主任研究者）、Shuaifeng Hu 同博士課程学生（現：英国オックスフォード大学（University of Oxford）博士研究員）、Minh Anh Truong 同助教らの研究グループは、Henry J. Snaith オックスフォード大学教授、Junke Wang 同博士、Pei Zhao 分子科学研究所特任助教、江原正博同教授、中野恭兵理化学研究所博士、但馬敬介同博士らとの共同研究成果として、スズを含むSn-Pb系ペロブスカイト半導体の界面構造制御法を開発し、これをボトムセルとして用いることで、オールペロブスカイトのタンデム型太陽電池の高性能化を実現しました。

独自の添加剤として、アミノ酸基とカルボン酸基を分子内に併せもつフェニルアラニンをSn-Pb系ペロブスカイト半導体の前駆体溶液に用いることで、高品質なSn-Pb系ペロブスカイト半導体膜が作製できる手法を開発しました。各種分光測定の結果と理論計算により、塗布成膜過程でのフェニルアラニンがどのようにペロブスカイトの構成イオンと相互作用し、埋もれたペロブスカイトの下層の界面を選択的に構造制御するのかについて、化学的な視点からそのメカニズムの詳細を解明しました。この手法で得られた高品質なSn-Pb系ペロブスカイト層を用いて作製した、単接合セル、2接合型タンデムセル、および3接合型タンデムセルの各デバイスでは、それぞれ0.91 V、2.22 V、および3.46 Vの開放電圧が得られ、23.9%、29.7%（認証値 29.26％）、および28.7％の光電変換効率を達成しました。また、1cm²のサイズの3接合デバイスでも、28.4%（産業技術総合研究所（AIST）にて27.28%の認証値）の光電変換特性を得ることができました。さらに本研究では、初めて4接合型のペロブスカイトタンデム型デバイスまで作製し、4.94 Vもの高い開放電圧と27.9%の光電変換特性が得られることを実証しました。

本研究成果は、2024年12月23日に、国際学術誌「Nature」にオンライン掲載されました。

本研究の成果：フェニルアラニンを添加剤に用いたペロブスカイト層界面の構造制御と高性能タンデム型ペロブスカイト太陽電池の開発