次世代の太陽電池として注目されているRPスズペロブスカイト太陽電池内部の電荷の状態や動きを電子スピン共鳴技術で観測し、従来の3次元スズペロブスカイト太陽電池に比べて性能が向上する仕組みを解明しました。高効率で長寿命な太陽電池を開発する上で重要な手がかりとなる成果です。
ペロブスカイト太陽電池は次世代太陽電池として注目されています。効率が高く、柔軟性があって、印刷が可能などの特長があるからです。しかし、当初は鉛が用いられ、その毒性が環境面での課題でした。このため、鉛を環境負荷の少ないスズで置き換える方法が提案されていますが、スズは酸化されやすく、鉛を用いたペロブスカイト太陽電池より効率や耐久性が低いことが新たな課題となっています。
スズの酸化を抑制し、耐久性を上げる改善策として、スズペロブスカイト結晶に大きな有機陽イオンを導入し、2次元層状構造を持たせたRuddlesden-Popper（RP）スズペロブスカイトを形成する手法が提案されています。しかし、その内部状態や通常のスズペロブスカイト太陽電池に比べて性能が向上する仕組みは、まだ十分に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、微視的な視点から駆動中のデバイスの内部状態を調べました。
ペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカイト構造を持つ結晶を、正孔輸送層と電子輸送層が挟んだ構造をしています。まず、RPペロブスカイト太陽電池に光を照射しない状態では、正孔輸送層からRPペロブスカイトへ正孔が拡散していることが観測されました。それにより、正孔輸送層とRPスズペロブスカイトの界面に電子の逆流を抑制するエネルギー障壁が形成され、性能向上につながることが分かりました。次に、太陽光照射下では、RPスズペロブスカイトから正孔輸送層へ電子が移動したことが観測されました。これは、紫外線などの短波長の光により生成した高いエネルギーを持つ電子に由来するものだと分かりました。この電子移動により、正孔輸送層とRPズペロベスカイト界面におけるエネルギー障壁が高くなり、デバイスの効率がさらに向上することも分かりました。
デバイス駆動中における性能向上の仕組みの解明は、高効率で長寿命な太陽電池の開発を進める上で極めて重要で、今後の研究の発展に貢献することが期待されます。
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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】 Operando spin observation elucidating performance-improvement mechanisms during operation of Ruddlesden-Popper Sn-based perovskite solar cells
（Ruddlesden-Popperスズペロブスカイト太陽電池の動作時における性能向上機構を解明するオペランドスピン観測） 【掲載誌】 npj Flexible Electronics 【DOI】 10.1038/s41528-024-00376-2