金大、ペロブスカイト太陽電池の大気下での安定製造と長寿命化技術を開発

金沢大学(金大)は11月25日、ペロブスカイト太陽電池の大気下での安定製造と長寿命化に成功したと発表した。

同成果は、金大自然科学研究科の中原悠吾大学院生、金大ナノマテリアル研究所のシャヒドゥザマン・モハマド准教授、同・當摩哲也教授、麗光の共同研究チームによるもの。詳細は、太陽光発電や光熱発電などを扱う学術誌「Solar Energy Materials and Solar Cells」に掲載された。

天敵の“湿度”を防ぐ新たな手法とは？

現在主流のシリコン半導体を用いた太陽電池は、重い、高価であるといった課題がある。それらの課題を解決するとして期待されているのが、無機・有機ハイブリット材料を用いる“ペロブスカイト太陽電池”だ。同太陽電池は、従来のシリコン太陽電池では困難な、印刷などの塗布技術による低コスト製造が可能な上、軽量で曲げることもできるなどフレキシブル性を有するため、家屋の壁や電柱、トタン屋根などへの設置も行える。しかし、ペロブスカイト太陽電池の実用化には課題もある。それは、水分に対して極めて敏感で、すぐに分解してしまい寿命が短くなる点だ。

このような背景から研究チームではこれまで、ペロブスカイト太陽電池の工業化に向けた研究を進めてきた。特に、高速かつ連続的にフィルムへ製膜・乾燥処理を行う「ロール・ツー・ロール(R2R)法」による大量生産技術の確立に注力。そして4年前には、ペロブスカイト太陽電池の塗布成膜時にイオン液体を少量添加するのみで、ペロブスカイト層の疎水性を向上させる技術を開発し、耐久性の向上による従来よりも大幅な長寿命化が達成された。

(左)R2R装置(麗光のもの)。(右)R2R法の模式図(出所:金大プレスリリースPDF)

しかし、この時は実験室レベルの製膜法である「スピンコート製膜法」が用いられていた。これは、ペロブスカイト前駆体液を数cm角の小さなガラス基板上に塗布し、最高で1秒に100回転という超高速回転させ、1秒以下のスケールで急速乾燥を行うものだ。さらに、製膜環境もペロブスカイト層が劣化しないように窒素ガス雰囲気下で行われており、大気中での製膜には適していなかった。したがって、R2R法のように大気下で数分かけてゆっくり結晶化させる製膜条件に、この技術を適応させられるのか懸念があったのである。そこで研究チームは今回、イオン液体による疎水性向上技術に加え、R2R法と同じ方式の「バーコート製膜法」を用い、大気下におけるペロブスカイト層の成膜を目指したという。

(左)スピンコート装置。(右)スピンコート製膜法の模式図(出所:金大プレスリリースPDF)

イオン液体は、ペロブスカイト前駆体溶液に少量添加することで、ペロブスカイト結晶と相互作用を形成する。その結果、イオン液体がペロブスカイト膜表面に存在することで、水分子の侵入を防ぐ作用を持つことになる。これにより、大気中の水分子による結晶の分解が抑制され、高品質なペロブスカイト膜が得られたのである。

バーコート製膜法では、完全な結晶化までに5分以上を要する。この緩やかな結晶成長プロセスにより、ペロブスカイト前駆体が長時間下地層(膜)と接することができ、基板との相互作用がより強くなる。これにより、結晶がFrank-van der Merwe成長(層状成長)したことが推測された。

(左)今回使用されたバーコート装置。(右)バーコート製膜法の模式図(出所:金大プレスリリースPDF)

今回の研究では、この結晶成長によりスピンコート製膜法で得られるような粒状の結晶ではなく、結晶粒界(結晶の配列の乱れた欠陥である、結晶のかたまり同士の境界)の極めて少ない層状のペロブスカイト膜が得られたとする。一方、スピンコート製膜法では結晶サイズが数百nmのため、イオン液体添加技術とバーコート技術によって高品質化したと考えられた。

(上)欠陥が多数生じたペロブスカイト膜の表面電子顕微鏡(SEM)像。(下)イオン液体を添加することで高品質化させたペロブスカイト膜の表面SEM像(出所:金大プレスリリースPDF)

また、従来のスピンコート製膜法で作製されたペロブスカイト太陽電池は、400時間後(16日間強)には初期の半分以下の性能まで落ち込んでいた。それに対し、イオン液体添加技術とバーコート技術による高品質化・大結晶化により、大気暴露試験において、湿度40～50％の通常大気下でも1200時間(50日間)にわたり性能の90％を保持するという、従来と比べて大幅な高耐久性が達成された。