ペロブスカイト太陽電池の有機ホール輸送材料開発：添加剤使わず、高い変換効率を実現

産業技術総合研究所（産総研）は、ペロブスカイト太陽電池向けに、添加剤を使わず高い光電変換効率を実現できる、新たな有機ホール輸送材料を、日本精化と共同で開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

耐熱性試験で初期性能を1000時間維持

　産業技術総合研究所（産総研）ゼロエミッション国際共同研究センター有機系太陽電池研究チームの村上拓郎研究チーム長と小野澤伸子主任研究員は2022年3月、ペロブスカイト太陽電池向けに、添加剤を使わず高い光電変換効率を実現できる、新たな有機ホール輸送材料を、日本精化と共同で開発したと発表した。

　ペロブスカイト太陽電池に用いられる有機ホール輸送材料は、リチウムイオンなどを添加することでホール移動度を向上させ、光電変換効率を高めている。ところが、吸水性のあるリチウム塩などを添加すると、熱や光、湿気に対する耐久性が低下する原因になることがあった。

ペロブスカイト太陽電池の構造と研究成果の要点［クリックで拡大］ 出所：産総研

　そこで産総研は、ホール輸送材料の骨格分子を効率的に合成する技術を蓄積してきた日本精化と共同で、2017年より新たなホール輸送材料の開発に取り組んできた。ペロブスカイト太陽電池はこれまで、ホール輸送材料として分子の先端に「メトキシ基」を持つ「Spiro-OMeTAD」などを用いてきた。

　研究チームは今回、新たなホール輸送材料を合成した。具体的には、メトキシ基を「ジメチルアミノ基」に置き変えることで、分子内に電子を送り込む機能（電子供与性）を高めた。さらに、ホール輸送材料内部の電子が広く動けるよう、分子内から電子を引き出す機能（電子吸引性）が高い「シアノ基」を、分子の中心に近い位置へ導入した。

左が従来、右が新たに開発した有機ホール輸送材料の分子構造［クリックで拡大］ 出所：産総研

　実験では、ホール輸送材料に添加剤を用いない条件で、新たに開発したホール輸送材料と従来材料をそれぞれ用い、ペロブスカイト太陽電池（MAPbI₃）を試作した。これらの光電変換効率を測定したところ、従来材料の12.9％に対し、新規材料を用いると16.3％に向上した。

　さらに、新規材料を高効率のペロブスカイト［Cs_0.05（FA_0.85MA_0.15）_0.95Pb（I_0.89Br_0.11）₃］と組み合わせた結果、変換効率は18.7％に達した。しかも、新規のホール輸送材料は、膜厚を30〜50nm（従来品は100〜200nm）まで薄くすることが可能であり、材料の削減につながるとみている。

　未封止の太陽電池に対して、85℃における耐熱試験も行った。この結果、電池の初期性能はほぼ1000時間維持されるなど、高い耐熱性があることも分かった。

左が新規ホール輸送材料、右はそれを用いて作製したペロブスカイト太陽電池 出所：産総研

従来型と新規ホール輸送材料を添加剤なしで用いたペロブスカイト太陽電池（面積は0.119cm²）の電流電圧特性［クリックで拡大］ 出所：産総研

従来型と新規ホール輸送材料を用いたペロブスカイト太陽電池の耐熱性試験結果（未封止、暗所保管） 出所：産総研

　研究チームは今後、ペロブスカイト組成の最適化や劣化抑制技術、封止技術の導入などによって、20年以上の寿命を有する高効率ペロブスカイト太陽電池の開発を進めていく。