ペロブスカイト太陽電池の開発最前線

ペロブスカイト太陽電池の開発最前線

Cutting Edge Technologies of Perovskite Solar Cells

  • 近年目覚ましい発展を遂げるペロブスカイト太陽電池(PSC)の研究動向を詳述!
  • 2019年7月現在、PSCはNREL チャートで多結晶シリコンやCIGSを上回る最高効率24.2%を記録!
  • 性能評価や塗布技術について、国内第一線の研究者が解説!
監修 瀬川浩司    
価格 61,000円+税 出版社 シーエムシー出版
発行日 2019年07月31日 体裁 B5判、165ページ
ISBNコード 978-4-7813-1427-3 商品コード T1120

発刊にあたって

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。

瀬川浩司
(本書「はじめに」より抜粋)

キーワード

材料組成・成膜法/ヘテロエピタキシー/電子-格子相互作用/結晶成長制御/塗布技術/カリウム添加有機金属ハライドペロブスカイト/Sn 系ペロブスカイト/寿命評価/グラフェン透明電極/カーボンナノチューブ電極/光電気物性評価/耐久性向上/太陽電池モジュール

著者一覧

瀬川浩司
東京大学
宮坂 力
桐蔭横浜大学
中崎城太郎
東京大学
近藤高志
東京大学
金光義彦
京都大学
宮寺哲彦
国研産業技術総合研究所
若宮淳志
京都大学
別所毅隆
東京大学
早瀬修二
電気通信大学:九州工業大学
石川亮佑
東京都市大学
松尾 豊
名古屋大学:東京大学
丸山茂夫
東京大学:産業技術総合研究所
脇 慶子
東京工業大学
蓑田光博
英弘精機(株)
佐伯昭紀
大阪大学
ルドミラ コジョカル
東京大学
内田 聡
東京大学
松島敏則
九州大学
安達千波矢
九州大学
根上卓之
パナソニック(株)
松下明生
パナソニック(株)
松井太佑
パナソニック(株)
都鳥顕司
(株)東芝

【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