次世代太陽電池の有力候補、ペロブスカイト太陽電池の複合環境下での劣化機構の観察手法を確立

発電効率と耐久性の向上に筋道

桐蔭横浜大学の柴山直之専任講師、宮坂力特任教授、高輝度光科学研究センターの中村唯我テニュアトラック研究員からなる共同研究グループは、ペロブスカイト太陽電池における光と湿度の共存環境下での劣化機構を、放射線を用いたＸ線回折法測定法を用いて世界で初めて明らかにしました。このペロブスカイト太陽電池は、宮坂力特任教授が発見したものであり、低コストで高性能な次世代太陽電池として注目されています。今回の研究成果は、ペロブスカイト太陽電池の耐久性を改善するための材料選択に役立ち、本研究の測定手法はペロブスカイト太陽電池の評価手法として広く活用されることが期待されます。

・研究の背景

ペロブスカイト太陽電池は、桐蔭横浜大学宮坂力特任教授らにより世界で初めて報告された、次世代太陽電池です。この太陽電池は、従来のシリコン太陽電池よりも製造コストが低く、高い光変換効率を持ち、軽量かつ柔軟性にも富んでいます。そのため、ポストシリコン太陽電池として注目を集めています。

一方で、ペロブスカイト太陽電池には、シリコン太陽電池と比べて発電効率が劣化しやすいという問題があります。特に、実際に太陽電池が使用される光と湿度の共存する環境下では、劣化が進みやすく、長期間の安定した性能を維持することが困難であるとされています。これまで、ペロブスカイト太陽電池の劣化機構を解明するための多くの研究が進められてきましたが、光と湿度の共存環境下における劣化機構については、詳細に解明されていませんでした。

本研究では、ペロブスカイト太陽電池に用いられるハロゲン化ペロブスカイト結晶の多結晶薄膜の光と湿度の共存環境下における劣化機構を、放射線を用いたＸ線回折法測定法を用いて観察しました。

図1 本研究で用いた放射光X線回折測定システム。光と湿度の共存環境を実現できる

その結果、光と湿度の共存環境下における劣化機構は、光照射が無い場合の劣化機構と大きく異なることがわかりました。光と湿度の共存環境下における太陽電池特性の急激な劣化は、水分子が付加した錯体分子が原因であることが示唆されました。

図2 本研究の結果から示唆される劣化機構の模式図

この研究により、ペロブスカイト太陽電池の劣化機構が光と湿度の共存環境下で詳細に解明されたことは、今後の開発に向けた大きな前進です。今後は、これらの知見をもとに、ペロブスカイト太陽電池の劣化を防ぐ技術開発が進むことが期待されます。また、本研究で用いた放射光を用いたその場観察測定手法は、本研究の測定手法はペロブスカイト太陽電池の評価手法として広く活用されることが期待されます。

用語解説
[1] ペロブスカイト太陽電池：次世代太陽電池の一種で、従来のシリコン太陽電池よりも製造コストが低く、高い光変換効率を持ち、軽量かつ柔軟性にも富んでいることが特徴。桐蔭横浜大学宮坂力特任教授らにより世界で初めて報告された。

[2] シリコン太陽電池：現在最も普及している太陽電池の一種。

[3] 光変換効率：太陽光を電気に変換する効率のこと。

[4] ハロゲン化ペロブスカイト結晶：ペロブスカイト太陽電池に使用される材料の一種で、鉛、ヨウ素、臭素などの元素から構成される。

[5] 多結晶薄膜：複数の結晶が混在した薄い膜のこと。

[6] 放射線：電磁波や粒子線など、物質にエネルギーを与える放射性物質を指す。

[7] X線回折法測定法：結晶の構造を調べる手法の一つで、X線を物質に照射し、回折されたX線のパターンから結晶構造を分析する。

[8] 錯体分子：金属イオンや分子などが、周りの分子と化合して複合体を形成する分子のこと。

・研究プロジェクトについて
本研究は、以下の支援によって行われました。
新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「グリーンイノベーション基金事業」
一般財団法人材料科学技術振興財団　研究助成
公益財団法人ひょうご科学技術協会　学術研究助成
公益財団法人高輝度光科学研究センター　課題番号2018B1809, 2019B2017, 2019B2018,
2019B2066, 2021B1870, 2021B1952, 2022A1654, 2022A1777

論文情報
論文タイトル：”Degradation Mechanism of Halide Perovskite Crystals under Concurrent Light and Humidity Exposure”
著者情報：Yuiga Nakamura, Naoyuki Shibayama*, Kosuke Fujiwara, Tomoyuki Koganezawa, and Tsutomu Miyasaka (*責任著者)
掲載誌：ACS Materials Lett. 2022, 4, 2409–2414.
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00744