有機金属ハライド太陽電池は,一般には「ペロブスカイト太陽電池(PSC)」と呼ばれ,今や世界の太陽電池開発の中心的な存在となっている。この有機金属ハライドペロブスカイトを発電層に用いた最初の太陽電池が、宮坂らによって2009年に発表されてから、ちょうど今年で10年の節目を迎える。この間、2012年に10%級の変換効率を示す全固体型ペロブスカイト太陽電池が複数のグループによってほぼ同時に発表され、研究開発競争に火が付いた。2013年にはシーケンシャルデポジション(2ステップ法)で15%級のセルが、2014年にはアンチソルベント法やガスフロー法で16%級のセルがそれぞれ報告された。2015年にはミックスハロゲン・ミックスカチオンで18%を超え、その後すぐにトリプルカチオンで21%を超えている。その後も激しい研究開発競争は続き、2016年には、22%、2018年には23%、そして今年2019年には24.2%の効率が報告されている。変換効率が25%を超えるのも、もはや時間の問題かもしれない。多結晶シリコン太陽電池の変換効率が21.9%、CdTe 太陽電池が22.1%、CIGS 太陽電池が22.6%であることを考えると、もはやペロブスカイト太陽電池より高い変換効率を示すものは単結晶シリコン太陽電池しかないのである。
ペロブスカイト太陽電池は、安価な材料を使って塗布製造で作れるので、次世代の高性能低コスト太陽電池の本命とされ、かなり初期のころからモジュール開発も同時並行で進められている。大面積モジュールでは日本のパナソニックや東芝が優れた研究成果を出しており、ごく最近に東京大学でもモノリシック3直列ミニモジュールで20.7%の変換効率を報告し、世界で初めて20%越えのモジュールを実現することができた。このようにアクティブに研究が進められている時期に、ペロブスカイト太陽電池の基礎から応用までを網羅した本書を出版できるのは大変喜ばしいことである。ぜひ多くの方々に本書を手に取っていただき、最先端の技術に触れて頂きたいと願う次第である。
目次
【第1編 総論】
第1 章 ペロブスカイト太陽電池の開発史と光電変換素子への展開
1 はじめに─ペロブスカイト太陽電池の研究の背景
2 ハライド型ペロブスカイトの特徴
3 効率を決める結晶膜の高質化
4 軽量フレキシブル太陽電池の開発
5 汎用の光電変換素子への展開
6 宇宙開発への応用
7 将来の展望
第2 章 ペロブスカイト太陽電池の高性能化と最新技術
1 はじめに
2 PSC のセル構造の動向
3 ペロブスカイト材料組成と成膜法の動向
4 正孔輸送材料の動向
5 おわりに
【第2編 材料】
第3 章 ハロゲン化金属ペロブスカイトの結晶工学
1 はじめに
2 CH3NH3PbI3 結晶の微視的評価
3 CH3NH3PbX3 のヘテロエピタキシー
4 CH3NH3PbX3 多結晶ヘテロ積層膜の作製
5 CH3NH3PbX3 混晶の光誘起相分離
6 おわりに
第4 章 ハロゲン化金属ペロブスカイトの光物理
1 はじめに
2 バンド構造
3 ハロゲンイオンの効果:バンドギャップエネルギーとフォノンエネルギー
4 発光スペクトルと電子-格子相互作用
5 ナノ粒子の発光と表面トラップ
6 おわりに
第5 章 有機鉛ペロブスカイトの結晶成長制御と評価
1 はじめに
2 ペロブスカイト結晶
3 有機鉛ペロブスカイトの作製手法と結晶成長解析
4 放射光を用いたリアルタイム結晶成長評価
5 レーザー蒸着法とエピタキシー
6 おわりに
第6 章 高効率ペロブスカイト太陽電池のための材料開発と塗布技術
1 はじめに
2 第1 世代材料:高純度化PbI2
3 ソルベントエンジニアリングを用いたペロブスカイト層の塗布法
4 第2 世代材料:MAPbI3・DMF 錯体
5 Sn 系ペロブスカイトの高純度化材料
6 Sn 系ペロブスカイト層の塗布法
7 おわりに
第7 章 カリウム添加有機金属ハライドペロブスカイト半導体材料開発とヒステリシスフリー太陽電池発電特性
1 はじめに
2 実験方法
2. 1 試薬準備
2. 2 太陽電池作製
3 実験結果および考察
3. 1 ペロブスカイト膜の特性
3. 2 太陽電池の発電特性
3. 3 膜形状と発光減衰
3. 4 バンドアライメントの調査
4 まとめ
第8 章 Sn 系ペロブスカイト太陽電池の研究動向と将来動向
第9 章 グラフェンを用いた正孔輸送層フリーペロブスカイト太陽電池開発
1 はじめに
2 ペロブスカイト層の堆積
3 グラフェンの転写
4 太陽電池特性
5 太陽電池の安定性
6 おわりに
第10 章 カーボンナノチューブ膜を用いた革新的ペロブスカイト型太陽電池開発
1 はじめに
2 カーボンナノチューブ透明電極を用いたペロブスカイト太陽電池
3 カーボン同素体サンドイッチペロブスカイト太陽電池
4 両面カーボンナノチューブ電極ペロブスカイト太陽電池
5 単層CNT 膜とグラフェンの比較
6 おわりに
第11 章 カーボンナノチューブ電極を用いたペロブスカイト太陽電池の研究開発
1 炭素電極の研究背景
2 炭素電極の研究動向
3 カーボンナノチューブ電極を用いたペロブスカイト太陽電池の開発
3. 1 カーボンナノチューブの構造制御
3. 2 セルの作製方法と構造
4 まとめ
【第3編 計測】
第12 章 ペロブスカイト太陽電池評価機器と電子寿命・密度等の測定方法
1 はじめに
2 英弘精機の太陽電池評価機器ラインアップ
2. 1 システム構成
2. 2 ソーラシミュレータ用分光放射計LS-100 の概要
2. 2. 1 ペロブスカイト太陽電池評価におけるLS-100 の使用方法
2. 3 耐久性・寿命評価システム
2. 4 MPPT による発電量Wh 評価システム
2. 5 屋外暴露評価システム
2. 6 色素増感太陽電池用電子寿命拡散計測装置PSL-100 の概要
2. 7 ペロブスカイト太陽電池用電子寿命拡散計測装置PSC-10 の概要
第13 章 マイクロ波分光法によるペロブスカイト太陽電池の光電気物性
1 はじめに
2 ペロブスカイト活性層からホール輸送層へのホール移動過程
3 Sn ペロブスカイトの劣化過程
4 Sn/Pb ペロブスカイトの異常誘電応答:トラップキャリアとダイポール相互作用
5 おわりに
第14 章 ペロブスカイト太陽電池のヒステリシスと性能評価技術
1 はじめに
2 ペロブスカイト太陽電池の等価回路モデル
3 ペロブスカイト太陽電池の特性評価(I-V 測定)
4 ペロブスカイト太陽電池の特性評価(MPPT 測定)
5 終わりに
第15 章 メタルハライドペロブスカイトを半導体層とした電界効果トランジスタ
1 はじめに
2 ペロブスカイトトランジスタの研究動向
3 スズ系ペロブスカイト(PEA2)SnI4 の特徴
4 高性能化に向けたデバイス設計指針
5 ペロブスカイトと電極との化学反応
6 接触抵抗がトランジスタ特性に及ぼす影響
7 ペロブスカイトトランジスタの安定性
8 おわりに
【第4編 デバイス】
第16 章 ペロブスカイト太陽電池の耐久性向上
1 はじめに
2 ペロブスカイト太陽電池の作製法
3 高温曝露による劣化メカニズム
4 高効率かつ高温耐久化
5 おわりに
第17 章 塗布技術を用いたフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールの開発
1 はじめに
2 ペロブスカイト太陽電池の特長
3 フィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールの高効率化
4 フィルム型ペロブスカイトモジュールの特性
5 今後の展開
