放射光を用いたペロブスカイト太陽電池向け高機能材料の解析 No.057

背景
脱炭素社会の実現に向けた有効な手段の一つとして、太陽電池の利用拡大が進んでいます。現在の主流となっているシリコン型太陽電池は、家庭用から事業用まで多くのソーラーパネルで採用されていますが、ガラスなどを基板に用いるため、重量に耐えられる強度のある場所にしか設置できないことが課題に挙げられています。これに代わる、次世代の太陽電池として注目されているのが、ペロブスカイト太陽電池です。軽量で曲げられるほか、室内光でも発電できるため、シリコン型と比較して設置の自由度が高くなります。さらに、大掛かりな製造装置を必要としないため、設備投資コストの抑制も期待されています。しかし、ペロブスカイト層（光電変換層）中の結晶構造は、大気中の水分、熱、酸素などの影響を受けやすく、ペロブスカイト結晶構造が崩れ、耐久性が低いことが知られています。また、大面積のペロブスカイト太陽電池は量産安定性が低いという課題があります。これらの課題を解決するには、光電変換層を被覆し、ペロブスカイト層の結晶を保護する膜の重要性が認識されていますが、従来の手法では膜厚が薄すぎるために耐久性の向上効果が限定的であり、さらに膜厚の制御が困難であることから再現性に課題がありました

成果の詳細
我々は、光電変換層の被覆層としてp型半導体の性質を有するフタロシアニン系材料がペロブスカイト層の結晶構造を維持する作用がある事に着目しました。高輝度のX線が利用可能なSPring-8のビームラインBL19B2を用いた2次元微小角入射広角X線散乱(2D-GIWAXS)*測定により、フタロシアニン膜の結晶性と配向性を評価しました。その結果、フタロシアニンは高い結晶性と電気伝導性を有するため、従来の手法よりも圧倒的に厚い膜（100-200nm）を形成しても、ペロブスカイト太陽電池の光電変換効率を維持できることが明らかになりました。また10万L_x相当の光照射に対する耐久性試験を行った結果、ペロブスカイト層上へのフタロシアニン層の積層により、性能劣化を大幅に低減できることが明らかになりました。