大北英生 工学研究科准教授、伊藤紳三郎 同教授らの研究グループは、エネルギー変換効率19％以上の高効率ペロブスカイト太陽電池を用いて発電メカニズムを解析し、電流が発生する効率はほぼ100％であり、電圧も理論限界にまで向上可能なことを明らかにしました。
本研究成果は、2015年12月8日（英国時間）に独国科学誌「Advanced Materials」のオンライン速報版で公開されました。
研究者からのコメント
今回の研究成果により、ペロブスカイト太陽電池の発電特性を理論限界近くにまで向上させるための設計指針が明らかになり、シリコン太陽電池に匹敵するペロブスカイト太陽電池の開発が期待されます。
本研究成果のポイント
- 発電特性が変化しにくいペロブスカイト太陽電池の作製に成功し、電流・電圧のロス機構を明らかに
- 得られた設計指針を基に、エネルギー変換効率がシリコン太陽電池に迫るペロブスカイト太陽電池の実現に期待
概要
ペロブスカイト太陽電池は、材料溶液を印刷することで容易に作製できるため生産コストの大幅な低減ができる太陽電池として期待されています。最近では20％以上の高いエネルギー変換効率が報告され、次世代太陽電池の有力候補として注目を集めています。しかし、発電特性にばらつきが多く、測定条件によって素子特性が変わるヒステリシスという現象を示すため、素子構造と発電特性の関係を定量的に研究することができないという課題がありました。
大北准教授らは、比較的平滑で緻密なペロブスカイト膜の製膜法を用いて、エネルギー変換効率19％以上でかつ、ヒステリシスが小さいペロブスカイト太陽電池を再現性良く作製することに成功しました。
さらにこの素子を用いて解析したところ、電流については、変換ロスはほとんどないことが分かりました。一方、電圧については、電流の担い手である電荷キャリアを捕捉するサイト（トラップ）を介した電圧ロスが存在することが分かりました。このことから、トラップの密度を単結晶ペロブスカイト程度にまで減らすことができれば、開放電圧を理論限界近くにまで向上できることが明らかになりました。
CH 3 NH 3 PbI 3 ペロブスカイト太陽電池の断面SEM像
下から順に、FTO透明電極層（負極）、TiO 2 緻密層（電子輸送層）、ペロブスカイト層（発電層）、spiro-OMeTAD層（正孔輸送層）、金電極層（正極）から構成される。ペロブスカイト層は55wt％CH 3 NH 3 I／PbI 2 のDMF溶液からFDC法により製膜した。図中のスケールバー（黒線）は500nmを表す。
詳しい研究内容について
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1002/adma.201504144
[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/202519
Hyung Do Kim, Hideo Ohkita, Hiroaki Benten, and Shinzaburo Ito
"Photovoltaic Performance of Perovskite Solar Cells with Different Grain Sizes"
Advanced Materials, First published: 7 December 2015
- 科学新聞（1月1日 2面）に掲載されました。
