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ペロブスカイト太陽電池の構造
ペロブスカイト太陽電池の構造
(図:JSTのプレスリリースより)
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素材の評価方法
素材の評価方法
(a)マイクロ波法による測定概念図。レーザー光パルスが当たった瞬間、電気の流れやすさに比例してマイクロ波の強度が時間的に変化する。(b)ペロブスカイト膜のみ(黒色)と、正孔輸送層を塗布したときのマイクロ波信号(青色と赤色)の評価。矢印の大きさが正孔移動効率に相当し、赤色(高分子A)の方が青色(高分子B)より高い(図:JSTのプレスリリースより)
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データ科学的統計の結果得られた相関図
データ科学的統計の結果得られた相関図
各点は1つの材料に対応する(図:JSTのプレスリリースより)
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 大阪大学と京都大学は2016年8月4日、次世代太陽電池として期待されるペロブスカイト太陽電池において、生成した正孔を電極へ運ぶ正孔輸送材の性能をデータ科学的統計法と組み合わせて高速に評価する新たな手法を開発したと発表した(ニュースリリース)。従来の素子評価と比べて10分の1以下の時間で素早く安定的に評価することが可能だ。

 ペロブスカイト太陽電池は、光を吸収して電荷(正孔と電子)に変えるペロブスカイト層、正孔と電子をそれぞれ陽極と陰極に分別するための正孔輸送層などから構成される。2016年現在、無機太陽電池に匹敵する変換効率22%を達成し、さらに印刷・低温プロセスへの適応性により低価格・軽量化につながるため、次世代太陽電池として実用化が期待されている。一方、太陽電池の光電変換効率を高めるには高性能な電荷輸送層の開発が重要だが、素子の性能には多くの因子が関与するため、有機高分子(ポリマー)や低分子材料から成る正孔輸送層の開発と性能評価には長い時間と繰り返し実験が必要だった。

 今回、スマートフォンの通信や電子レンジなどで使われるマイクロ波と、精密部品の生産で使われている短パルスレーザーを組み合わせた測定装置を用いて、ペロブスカイト発電層から正孔輸送層への正孔移動効率を直接評価できる方法を確立した。さらに、データ科学的統計法を融合することで“性能を決める変数”を抽出することに成功した。初期正孔移動効率と移動速度の積が太陽電池素子の短絡電流密度に最も相関することが分かり、今後の新規の正孔輸送材開発と評価が格段に容易になった。

 このほかにも、高分子の種類だけでなく、添加剤の有無と大気への暴露時間が正孔移動効率に影響を与えることも明らかになった。ペロブスカイト太陽電池は、大気中の水分に反応して劣化するだけではなく、光照射や酸素の影響で時間とともに性能向上する場合もあり、同太陽電池の挙動の謎の1つとされてきた。今回、大気への暴露時間とともに正孔移動効率が徐々に上昇することが初めて定量され、残された他の多くの謎を解く手がかりになると期待される。

 現在最も変換効率の高いペロブスカイト太陽電池は、人体や環境に有害とされる鉛を含むため、非鉛ペロブスカイト太陽電池の開発が注目されている。しかし、現状では非鉛系の変換効率はかなり低く、耐久性や安定性も課題が山積している。今回の研究で確立した指標に加えて、マテリアルズ・インフォマティクスを活用することで、新たな電荷輸送層の材料探索が効率的に行うことが可能になる。

 また、ペロブスカイト太陽電池には、長期劣化機構、ヒステリシスなどの多くの謎が残されている。今回の研究を足がかりとして、実験的な解を与え、次世代太陽電池をはじめとする太陽光を利用した多角的なエネルギー変換材料の性能診断にも展開することで、素子性能向上や基礎物性解明研究を加速することが期待される。

 科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業の一環として実施した。研究成果は米国化学会誌「ACS Photonics」オンライン版で2016年8月2日に公開された。