高効率な太陽電池として注目されているペロブスカイト太陽電池に使われる低コスト材料の内部状態を電子スピン共鳴でミクロな視点から調べ、局所的な電荷移動度は高いのにデバイス性能が低くなる理由を解明しました。太陽電池の性能向上につながる設計指針を提供する上で極めて重要な成果です。
ペロブスカイト太陽電池は光エネルギーを電気エネルギーに変える効率が高く、次世代太陽電池として注目されています。しかし、代表的な正孔輸送材料であるspiro-OMeTADは、合成が複雑でコストが高いなどの難点がありました。これらの欠点を克服するため、合成が容易で低コストな正孔輸送材料HND-2NOMeが開発されました。HND-2NOMe分子は準平面型構造を持ち、結晶中で分子が1次元方向に重なった形で並ぶため電荷が移動しやすくなります。しかし、それにもかかわらず、電流が減少するような性能の低下がみられる弱点があり、その原因はまだ解明されていませんでした。
本研究では、電子スピン共鳴を用いてミクロな視点から内部状態を明らかにすることで、性能低下の原因を解析しました。その結果、光を当てない暗条件下では、ペロブスカイトからHND-2NOMeへ正孔が移動することが観測されました。これによりペロブスカイト/HND-2NOMe界面に正孔が流れにくくなるエネルギー的な障壁が形成され、性能低下につながっていることが分かりました。一方、このような障壁が形成されるものの、HND-2NOMeを用いた太陽電池では、太陽光照射下で正孔の蓄積が少なく、これが正孔を運ぶ機能の安定に関係していることも分かりました。
性能は低いが機能が安定している原因は、デバイスの性能を向上させるための作製指針を提供する上で極めて重要であり、今後の研究発展に有用であると考えられます。
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プレスリリース
研究代表者
筑波大学数理物質系
丸本 一弘 教授
掲載論文
【題名】 Microscopic analysis of low but stable perovskite solar cell device performance using electron spin resonance
（電子スピン共鳴を用いた低いが安定したペロブスカイト太陽電池デバイス性能の微視的解析） 【掲載誌】 Communications Materials 【DOI】 10.1038/s43246-024-00675-1