長波長の太陽光を利用できる高品質なペロブスカイト材料の開発に成功

低コスト・高効率な太陽電池実現に前進

2015.08.19

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMSの研究グループは、800nm以上の長い波長の太陽光を利用できるペロブスカイト材料を、高品質に作製する新しい方法を世界に先駆けて開発しました。

概要

国立研究開発法人物質・材料研究機構太陽光発電材料ユニットの韓礼元ユニット長をはじめとする研究グループは、800nm以上の長い波長の太陽光を利用できるペロブスカイト材料を、高品質に作製する新しい方法を世界に先駆けて開発しました。従来の方法と比べ、太陽光に対する感度が40nm広く、高い短絡電流と開放電圧を有しており、ペロブスカイト太陽電池の高効率化への新たなアプローチとして期待されます。
現在のペロブスカイト太陽電池は、太陽光の吸収範囲が短い波長側に偏っており、より高い変換効率を目指して、長い波長の領域も利用できる材料の開発が課題となっています。そこで、長波長領域の光も吸収できる2種類のカチオン (MAとFA) を混合したペロブスカイト材料 ((MA)_xFA_1-xPbI₃) の開発が各研究機関でなされていますが、この2種類のカチオンは、混合比率を制御しにくく、また結晶温度の制御が難しいという欠点があります。さらに混合結晶相となりやすく、単一結晶相の高純度ペロブスカイト材料の有効な作製方法はいまだに確定されていませんでした。
本研究チームは、これらの問題を解決する新しい混合カチオン系のペロブスカイト材料の作製方法を開発しました。まず、作製温度を変えながら純粋な単一結晶相の前駆体FA_1-xPbI₃材料を作り、この材料をMAI (ヨウ化メチルアンモニウム) と反応させました。この方法で得たペロブスカイト材料(MA)_xFA_1-xPbI₃は、単一結晶相であり、蛍光寿命が長いことにより、ペロブスカイト材料中の電子再結合が少なく、電子寿命が長いことが判明しました。この材料を用いた太陽電池は従来型のペロブスカイト材料 (MA₃PdI₃) より太陽光に対する感度が40nm広く、840nmまで伸びたため、同じ条件で作製したMAPbI₃を用いた太陽電池より短絡電流が1.4mA/cm2高くなりました。
今後は、2種類のカチオンの比率を調整することにより、太陽光の広い波長領域を利用できる高品質のペロブスカイト太陽電池の開発を目指します。
今回の研究成果の一部は、国立研究開発法人科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業 (CREST) 研究領域「太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出」 (研究総括 : 山口真史　豊田工業大学特任教授) 、研究課題「色素増感太陽電池におけるデバイス物性に関する研究」において得られました。本成果は、「Advanced Materials」誌オンライン版にて7月14日に公開されました。

プレスリリースの図2 : (a) 高品質なペロブスカイト材料の作製方法、(b) 各種方法で作成したペロブスカイト材料のX線解析パターン、縦軸はX線回折信号の強度、横軸はX線の解析角度。