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新材料で安定性を6倍に改善、ペロブスカイト太陽電池の課題に光

スマートジャパン 10/12(水) 9:10配信

 物質・材料研究機構(NIMS)エネルギー・環境材料研究拠点の韓礼元上席研究員らの研究グループは2016年10月6日、ペロブスカイト太陽電池のホール輸送層に用いる新規添加剤を開発し、安定性を大幅に向上させることに成功したと発表した。初期効率の85%まで劣化するのに要する時間を、従来の添加剤より6倍以上に伸ばすことができたという。ペロブスカイト太陽電池の実用化に貢献する成果としている。

 現在の太陽電池の主力はシリコン太陽電池や、CISなどの化合物半導体を用いた太陽電池だ。一方のペロブスカイト太陽電池は、現時点では研究開発の状況も初期段階にある“次世代太陽電池”だが、将来の実用化が期待されている。その理由は主に2つある。

 1つ目が研究開発の段階で、現在主流の多結晶シリコン太陽電池の変換効率を上回る成果が生まれている点。2つ目が製造コストの大幅な削減が見込める太陽電池であるという点だ。ペロブスカイト太陽電池は、高温や真空の製造工程を必要とせず、大半を常温常圧環境での塗布プロセスで製造できるというメリットがある。

 こうした背景から近年、世界中でペロブスカイト太陽電池の研究開発が活発に行われている。今回の成果を発表した韓礼元氏らNIMSの研究グループは1平方センチメートルのセルで2016年3月に変換効率18.2%を達成。海外ではより小さいセルで20%を突破する成果も発表されており、着実に変換効率の向上が進んでいる。

 一方、実用化に向けた課題として残されているのが、安定性の問題だ。酸化チタン、ペロブスカイト、ホール輸送層で構成された順セル構造のペロブスカイト太陽電池は高い変換効率を示すことが分かっている。しかし安定性が非常に低く、光照射のない状態でも劣化が進んでしまうという欠点がある。作製から200時間後には約3割も変換効率が低下するという。実用化に向けては、こうした低い安定性の原因究明と、新規材料開発による長期安定性の向上が求められていた。

○安定性を6倍に向上
 今回研究グループは、順セル構造のホール輸送層に用いるピリジン系の添加剤TBPに注目した。実験結果の解析によりTBPとペロブスカイト材料が化学反応を起こすことが安定性を低下させる大きな原因となっていることを明らかにした。さらに赤外分光やX線回折による分析の結果、この反応は主にピリジン環にある窒素原子とペロブスカイト結晶の間で生じることも分かった。

 そこでこの反応を防ぐために、窒素原子の隣接位置にアルキル基を導入した。これにより立体障害効果 (2つの反応原子を空間的に近づくことを防ぐこと)が生じ、この化学反応を抑制することに成功。その結果、今回開発した新規ピリジン誘導体を用いたペロブスカイト太陽電池は、暗所において1000時間を経ても性能の低下が認められなかった。さらに連続光照射下においても、初期の変換効率から85%まで劣化する時間が、従来の添加剤では25時間弱だったものが、今回開発した新規添加材を使用すると150時間まで伸ばすことができ、安定性が6倍以上改善したという。

 研究グループは今回の成果について「ペロブスカイト太陽電池の劣化メカニズムの解明による新規材料開発というアプローチが、安定性の向上に非常に有効であることを実証したもの」としている。今後も引き続きペロブスカイト太陽電池の安定性および新規材料の開発を進め、早期の実用化を目指す方針だ。

 なお、今回の研究成果の一部は新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO) が実施中の「高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発」プロジェクトの一環として得られたもの。成果の詳細は2016年10月5日(現地時間)に英「Advanced Materials」誌のオンライン版で公開されている。

最終更新:10/12(水) 9:10

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