ペロブスカイト太陽電池の耐久性を大幅改善 フッ素系化合物添加：SWCNT電極に滴下

名古屋大学の研究グループは、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）電極にフッ素系化合物を添加することで、ペロブスカイト太陽電池の耐久性を大幅に改善できることを発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

大気中で280日保管した後でも発電効率は8.1％を維持

　名古屋大学大学院工学研究科および未来社会創造機構マテリアルイノベーション研究所の松尾豊教授と上岡直樹助教らによる研究グループは2024年12月、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）電極にフッ素系化合物を添加することで、ペロブスカイト太陽電池の耐久性を大幅に改善できることを発見したと発表した。

　ペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカイト結晶構造を持つ「CH₃NH₃PbI₃」などが一般的に用いられている。この材料は高い発電効率を得ることができるものの、低い耐久性が課題であった。耐久性に関しては銀や金などの金属電極材料も問題になっていたという。

　そこで研究グループは、金属電極の代わりにSWCNT電極を採用。そして、SWCNT電極の性能を向上させるp-ドーパントに「2,2,2-トリフルオロエタノール（TFE）」を用い、ペロブスカイト太陽電池の耐久性を改善した。TFEは弱酸性で濃度の調整などを行う必要がなく、スピンコートで簡単に滴下できるという。

　試作したペロブスカイト太陽電池の発電効率は、SWCNT電極のみだと13.0％となった。これに対しTFEを滴下することで14.1％に向上した。SWCNT電極の表面シート抵抗は37.4Ω/sqから32.7Ω/sqに低下。電荷トラップ密度も9.77×10¹⁵cm^-3から8.64×10¹⁵cm^-3に低下した。これらのデータから、光起電力特性を向上させる効果があることが分かった。

SWCNT電極を採用したペロブスカイト太陽電池の電流‐電圧特性曲線と、断面走査型電子顕微鏡（SEM）観察像。表は電流‐電圧特性から得られた光起電力パラメーター［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　研究グループは、大気中で保管した未封止のセルについて、発電効率の経時変化を測定した。これによると、30日後には発電効率が9.2％となり、TFEを再滴下したところ10.3％に上昇した。260日後にTFEを再滴下すると発電効率は8.6％となった。TFEを滴下していないSWCNT電極だけのセルでは、発電効率が4.8％に低下した。

　280日後の発電効率も調べた。TFEを滴下したSWCNT電極を用いた太陽電池は、8.1％となった。TFEを滴下していないSWCNT電極を用いた太陽電池では1.7％まで下がった。これらの結果から、TFEの滴下を繰り返せば、耐久性を維持できることが判明した。

,大気中で260日間保管したペロブスカイト太陽電池の外観。表は各太陽電池における発電効率の経時変化［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　さらに、TFEとエタノール（EtOH）をそれぞれ滴下したSWCNTの表面を、X線光電子分光法（XPS）で測定した。この結果、TFEはCOOやCOに由来する官能基のピーク強度が減少した。

　30日後に行ったX線回析測定（XDR）によれば、TFEを滴下していない太陽電池では、12°付近にPbI₂結晶のピークが検出された。TFEを滴下した太陽電池ではそのピークを確認できなかった。これは、TFEを滴下してもペロブスカイト結晶が維持されていることを示すものだという。

上段はX線光電子分光測定、下段左はX線回析測定の結果。下段右は太陽電池の概略図［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　なお、TFEはフッ素が含まれているが、狭義にはPFASに該当しないという。今回の研究はデンソーと共同で行った。