ペロブスカイト太陽電池の最新技術開発動向東京大学 瀬川 浩司

平成28年度 第1回 NEDO『TSC Foresight』セミナー 平成28年6月27日

２.革新的新構造太陽電池の研究開発

b)革新的低製造コスト太陽電池の研究開発

・モジュール変換効率 ： ２０％

・モジュール製造コスト： １５円/Wを実現

CH3NH3PbI3-xClx

Spiro-OMeTADAu

FTO/glass

TiO2 dense layer

300 nm

350 nm

50 nm

ペロブスカイト太陽電池

NEDO PV Challenges

半導体pn接合太陽電池

pn接合

電子

正孔

n型シリコン

p型シリコン

CdTe

CuInSe2

GaAs

単結晶多結晶微結晶

結晶系

アモルファス

化合物半導体系

Ⅱ-V族

Ⅲ-VI族

太陽電池

Ⅰ・Ⅲ・Ⅵ族

シリコン系

有機系太陽電池

色素増感太陽電池 有機薄膜太陽電池

I－

I3－

PtRu色素

電子

正孔

有機薄膜太陽電池

色素増感太陽電池

低コスト太陽電池としてのハイブリッド太陽電池

非pn接合型の太陽電池

●電解液封止 ●耐紫外線・熱、効率低

○完全固体塗布製造

ハイブリッド太陽電池

○無機半導体安定ナノ構造で集電

2009～14年 FIRST「低炭素社会に資する有機系太陽電池の研究開発」

CB： Pb 6p ＋I 5s electronVB：Pb 6s ＋I 5p hole

↓Good separaton of pathway

G. Giorgi, J. Fujisawa, H. Segawa, K. YamashitaJ. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 4213–4216, DOI: 10.1021/jz4023865

CH3NH3PbI3 has ambipolar character (n and p type conductor)

CBの電子

VBの正孔

有機金属ハライドペロブスカイトの優れた特性：電子と正孔の有効質量はシリコンと同等

At DFT+SOCme*=0.228m0mh*=0.293 m0

CB,VBはs軌道とp軌道からなる

ペロブスカイト太陽電池、変換効率の向上予想

Jsc： 27 mA/cm2 以上Voc： 1.2 Ｖ 以上 25.2％ＦＦ ： 0.78 以上

Jsc： 36m A/cm2 以上Voc： 0.9 Ｖ以上 25.2％ＦＦ ： 0.78 以上

タンデム構造を使った場合、トップセル25.2％、ボトムセル6.8％でも、集光せずに32％が達成できる。

（2014年5月のScience誌「News & Analysis」欄）M. グリーン：ペロブスカイト on シリコンで４４％を目指す

有機金属ハライドペロブスカイト太陽電池関連の講演

ペロブスカイト太陽電池材料コスト の見積もり

（１）ぺロブスカイトの材料コスト： 200円/m2 以下使用量は0.2ｇ~0.3ｇ／m2、量産時のコストは100～200円／m2

（２）正孔輸送材料 ：1000円／m2以下使用量は01～0.2g／m2 、量産時のコストは500～1000円／m2

（３）TCO ： 1500円／m2 以下量産時は、1000～1500円／m2

（４）その他 封止、対極（カーボン、Al等)： 500円／m2

量産時は、500円／m2

材料費合計は、2100～3200円／m2。製造装置は塗布中心で、既存の太陽電池製造設備費用よりかなり安い。20％モジュールなら５m2が１ｋＷで、材料費は10500～16000円／ｋＷ。１０年の耐久性でも材料のｋＷｈコストは1.05円～1.6円。製造装置費用、パワコン費用、流通コストを乗せても７円／ｋＷｈ達成。Stanford大学グループの試算では結晶シリコンの5分の一程度。

ペロブスカイト系革新的低製造コスト太陽電池の研究開発

＜ダイレクトバリア＞

セル上に直接 バリア膜を製膜

バリア材が水蒸気ブロック

超バリア＋低コスト

プロセス技術向上

サブテーマⅡ．高機能材料・セル製造技術開発 Ｅ～ＦサブテーマⅠ．モジュール製造技術開発 Ａ～Ｄ

A. 塗布製造技術の開発 G. 新素材と新構造による高性能化技術の開発

B. 超軽量太陽電池モジュール技術の開発

C. 低コストＲ２Ｒ太陽電池製造技術の開発

D. 高性能・高信頼性確保製造技術の開発

E. 高性能材料合成技術の開発

F. 基盤材料技術と性能評価技術の開発

FF

Voc

Jsc

改善点 界面制御技術

TiO2緻密層、

ペロブスカイト層

ホール輸送層

TiO2ナノ多孔体

反射防止層

新構造の一例：TCOレスバックコンタクト構造

ペロブスカイトから新素材へ

ペロブスカイト太陽電池構造制御

共蒸着法

in situ重合法

エネルギーレベルの自在調整

大型ペロブスカイト太陽電池セル

ペロブスカイト太陽電池試作ﾓｼﾞｭｰﾙ

110×100 mm (9セル直列)5.607 cm2 × 9直列＝ 50.463 cm2

構造に依存するヒステリシス問題の解決で性能評価方法の確立

ＦとGについては、東京大学先端科学技術研究センター附属産学連携新エネルギー研究施設に集中研を置く。ＡＢＣＤＥからもに研究員派遣。

ＲｔｏＲプロセスＴｉＯ２低温成膜

高速表面洗浄 精密塗工 ダイレクトバリア

(1) ナノ構造型 (2) 平面ヘテロ接合型 (3) 逆型(有機薄膜類似)

主なペロブスカイト太陽電池のセル構造

“mesoscopic”perovskite solar cell

“planar”perovskite solar cell

“inverted”perovskite solar cell

ペロブスカイト太陽電池の変換効率（投稿日・構造別） ●：ナノ構造型(TiO2, ZnO, SnO2)、●：ナノ構造型(Al2O3, ZrO2, SiO2)、 ■：平面ヘテロ接合型、◆：逆構造型、●：正孔輸送層無し、▲：その他

ペロブスカイト太陽電池のセル構造と変換効率ナノ構造型（メソポーラス）

MAPbI3-DMF PbI2 + MAI

Stirred at 70 oC for 3 min

Clear Solution Suspension

- Highly purified perovskite precursor

- Highly soluble in Solvents- Ready-to-use crystalline solids for one-step solution methodto give high PCEs

Difference in saturated concentrationMAPbI3-DMF: 2.2 M (DMF) > 2.0 M (DMSO)PbI2 + MAI: 2.2 M (DMF) > 1.2 M (DMSO)

京都大学が開発した高効率ペロブスカイト太陽電池のための前駆体材料（MAPbI3-DMF）：販売開始

ペロブスカイト太陽電池用高純度材料の開発

one step deposition under dry condition

(Annealing 120 °C, 45 min in air) Solvent evaporation - overnight in the desiccator

Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells

Au coa ng Perovskite

coa ng

HTM coa ng

Spray pyrolysis Spin‐coa ng Evapora on

Normal condi on Dry condi on (20 oC, 2.2%RH)/ Normal condi on (20 oC, 30‐40%RH)

Normal condi on

Blocking layer

1. Compact layer (TiAcAc 4000C-45 min)

2. Perovskite layer (CH3NH3I+ PbCl2) 2000RTM – 30s

3. Spiro-OMeTAD layer3000RTM – 30s

4. Au electrode

L. Cojocaru, S. Uchida, T. Miyasaka, H. Segawa, et al.

CH3NH3PbI3CH3NH3PbI3

TiO2TiO2

FTOFTO

SpiroSpiroThermal expansionThermal expansion Unstable

layer

Temperature Effects on the Photovoltaic Performance of Planar Structure Perovskite Solar CellsLudmila COJOCARU, Satoshi UCHIDA, Yoshitaka SANEHIRA, Victoria GONZALEZ-PEDRO, Juan BISQUERT, Jotaro NAKAZAKI, Takaya KUBO, Hiroshi SEGAWAChemistry Letters, 1557 (2015). DOI: 10.1246/cl.150781

The huge hystereses may comes from the poor contact between PSC and TiO2 surface and affected by temperature

Origin of the Hysteresis in I-V Curves for Planar Structure Perovskite Solar Cells Rationalized with a Surface Boundary Induced Capacitance ModelLudmila COJOCARU, Satoshi UCHIDA, Piyankarage V. V. JAYAWEERA, Shoji KANEKO, Jotaro NAKAZAKI, Takaya KUBO, Hiroshi SEGAWAChemistry Letters, 1750 (2015). DOI: 10.1246/cl.150933

逆構造セルで性能向上（ばらつきが少なくヒステリシス小）

W. Chen, L. Han et al., Science, 350, 944 (2015)

‐4.6

‐5.25

‐5.4

‐3.9

‐6.1

‐4.2 ‐4.0

‐7.6

‐1.4

‐4.3PbMAI3

PCBMFTOAg

Ti(Nb)Ox

NiMgLiO

(C)

Nb5+ act as donor defects in the TiOx matrix.

Ionic radiis of Ni2+ (0.69 Å), Mg2+ (0.71 Å), Li+ (0.76 Å), are comparable. Therefore, high Li+ doping tolerance for the NixMg1-xO ternary oxides.

Li+ act as acceptor defects in the NiMgOlattice.

ＮＩＭＳ 韓礼元 博士

Perovskiteor N719 VOC /V JSC/mAcm-2 FF Eff./%

PSC 1.12 20.6 0.795 18.34

DSSC 0.507 8.98 0.694 3.16

Total 21.5Highest class of η

among non-silicon photovoltaics

Spectral Splitting Photovoltaics using Perovskite and Wideband DSSCT. Kinoshita, H. Segawa et al. Nature Communications 2015, 6, 8834.DOI: 10.1038/ncomms9834

ペロブスカイト太陽電池タンデムへの展開

世界の太陽光発電の累積導入量（IEA PVPS TRENDS 2015より）

太陽光発電は世界的に類を見ない成長産業となっている

CH3NH3PbI3-xClx

Spiro-OMeTADAu

FTO/glass

TiO2 dense layer

300 nm

350 nm

50 nm

高性能セル（25％に向けて）

モジュール（７円/ｋWhに向けて）ペロブスカイト

モジュール製造技術開発

高機能材料・セル製造技術開発

ペロブスカイト太陽電池の基本的な構造

ペロブスカイト太陽電池の最新技術開発動向東京大学 瀬川 浩司

平成28年度 第1回 NEDO『TSC Foresight』セミナー 平成28年6月27日