ペロブスカイト太陽電池の紹介
ペロブスカイト太陽電池の構造は下図に示されています。その中心部分は、ペロブスカイト結晶構造（ABX₃）（単位格子構造は添付図に示されています）を有する有機金属ハロゲン化物からなる光吸収材料です。このペロブスカイトABX₃構造では、あメチルアンモニウム基（CH₃NH₃⁺）であり、Bは金属鉛原子であり、X塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン原子です。現在、高効率ペロブスカイト太陽電池に最も多く使用されているペロブスカイト材料はメチルアンモニウムヨウ化鉛 (CH₃NH₃PbI₃)バンドギャップは約1.5 eV高い消衰係数を特徴とし、わずか数百ナノメートルの厚さの膜で800nmまでの太陽光を十分に吸収します。さらに、この材料は作製が容易で、PbI₂とCH₃NH₃Iを含む溶液を室温でスピンコートするだけで均一な膜が得られます。これらの特性により、ペロブスカイト型構造のCH₃NH₃PbI₃は、可視光と近赤外スペクトルの一部を吸収するだけでなく、再結合しにくい光生成キャリアをエネルギー損失を最小限に抑えて生成することができます。これが、ペロブスカイト太陽電池が高効率を達成できる根本的な理由です。
図：ペロブスカイト材料の結晶構造（CH₃NH₃PbI₃を例に）とペロブスカイト太陽電池構造の模式図。
比較的複雑な結晶構造のため、A、B、Xサイトの原子（または基）の半径に厳しい要件が課せられ、ペロブスカイト光吸収材料の組成は比較的固定されています。最近、いくつかの研究グループがAサイトのメチルアンモニウム基をホルムアミジニウム（FA⁺）バンドギャップを狭めて1.48 eVより高い光電流を実現しています。Bサイト鉛（鉛）をスズ（スン）に置き換えても、光電応答は報告されていない。Xサイト塩素、臭素、ヨウ素などの原子も使用可能ですが、高い変換効率を得るのに適したバンドギャップを持つのはヨウ素系ペロブスカイトのみです。CH₃NH₃PbI₃以外にも、CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓペロブスカイト型光吸収材料も広く研究されています。基本的なエネルギー準位構造を維持しながら、少量の塩素ドーピングによって電子移動度が向上し、優れた光電特性を示すことができます。しかし、シリコンベースの材料と比較して、一般的に使用されているペロブスカイト型光吸収材料には、次のような欠点があります。光応答範囲が不十分、水や一部の溶剤に敏感、重金属鉛を含むそのため、ペロブスカイト材料を見つけるにはより狭いバンドギャップ、より優れた化学的安定性、そして環境への優しさ非常に有意義です。
ペロブスカイト薄膜太陽電池の開発は、色素増感太陽電池（DSSC）過去20年間に蓄積された色素増感太陽電池（DSSC）、有機太陽電池などの技術を活用し、ペロブスカイト太陽電池は急速に発展してきました。最も初期のペロブスカイト太陽電池はCH₃NH₃PbI₃はTiO₂光陽極と液体I₃⁻/I⁻電解質を増感する、効率はわずか3.8%（6.5%に最適化）。しかし、液体I₃⁻/I⁻電解質中のCH₃NH₃PbI₃の不安定性により、セルの安定性は低く、この分野の研究は現在限られている。液体I₃⁻/I⁻電解質を固体正孔輸送材料（HTM）（例えば、スピロ-オメタッド、P3HT）は細胞効率を大幅に改善し、16%色素増感型太陽電池の最高効率（13％）を上回り、優れた安定性を示しました。
これを踏まえて、H. スネイス 他多孔質足場層n型半導体TiO₂を絶縁材料、例えばアル₂O₃またはZrO₂正孔輸送材料を用いた薄膜セルも高効率を達成した（報告された最高効率は15.9%）。この結果は、ペロブスカイト材料CH₃NH₃PbI₃自体が優れた電子伝導能力を持っていることを示している。絶縁材料の足場層をベースとしたペロブスカイト太陽電池は、原理的に従来の感光概念を超え、メソスコピック超構造ヘテロ接合太陽電池さらに、絶縁性の足場層を除去し、均一な高品質のペロブスカイト膜を使用することで、平面ヘテロ接合セル高い効率も達成可能であり（報告されている最高効率は15.7%）、一方、正孔輸送材料を用いなくても、ペロブスカイトと多孔質TiO₂で形成されたヘテロ接合セルは10.5%の効率を達成している。この構造では、コロイド状量子ドット太陽電池と同様に、ペロブスカイトは光吸収と正孔輸送という2つの役割を果たしている。さらに、ペロブスカイト材料を光吸収層として用いることで、有機太陽電池の構造フラーレン誘導体PCBMを電子輸送層、ペドット:PSSを正孔輸送層として用いることで、効率は12%従来の有機/ポリマー太陽電池の最高記録を上回る成果が達成されました。有機太陽電池構造に基づくペロブスカイト太陽電池は、大規模生産向けに柔軟かつロールツーロールで生産現在、このようなフレキシブルペロブスカイトセルは、9.2%。
図：ペロブスカイト太陽電池の構造。
ペロブスカイト材料が、10%これらの大きく異なる太陽電池の構造は、将来の実用化において、複数の構造が共存したり競合したりする可能性がある同時に、材料の基本特性とセルの動作原理に関する詳細な研究と理解が不可欠です。これは、ペロブスカイト太陽電池の性能をさらに向上させるだけでなく、よりシンプルで効率的な新しい構造を開発するための知見も提供します。
