ペロブスカイト太陽電池の耐久性向上と長期信頼性の評価技術

第1部 ペロブスカイト太陽電池の高耐久、高性能化と実用化・環境対応への課題

(2023年11月21日 10:30〜12:00)

　ペロブスカイト太陽電池の技術的な特徴、実用化に向けた課題について把握できる。ペロブスカイト太陽電池は、フレキシブル・軽量基板にも印刷法で作製できることで、今、最も注目される太陽電池です。 　本講座では、ペロブスカイト太陽電池を世界で最初に報告した桐蔭横浜大学宮坂研究室で、その研究の歴史を目の当たりにしてきた研究者が、ペロブスカイト太陽電池の基礎から、実用化に向けたペロブスカイト太陽電池の環境への影響、リサイクルに関するトピックスも紹介します。

1. ペロブスカイト太陽電池とは
   1. ペロブスカイト化合物とは
   2. ハロゲン化鉛系ペロブスカイトの吸収特性と発光特性
   3. ハロゲン化鉛系ペロブスカイトの太陽電池への応用
   4. 有機系太陽電池の開発の歴史とペロブスカイト化合物
2. ペロブスカイト太陽電池の製造の実例
   1. 必要部材と作製方法、太陽電池の構成
   2. スピンコート法
   3. バーコート法
   4. インクジェット法
   5. 耐久性向上と高効率化に向けた研究
3. ペロブスカイト太陽電池の環境対応の課題
   1. 鉛を用いるペロブスカイト
   2. 環境への取組
   3. 非鉛系ペロブスカイト太陽電池
   4. ペロブスカイト太陽電池のリサイクル
4. 将来展望とまとめ
• 質疑応答

第2部 高効率ペロブスカイト太陽電池の信頼性向上に向けた挑戦

(2023年11月21日 13:00〜14:00)

　ハロゲン化金属ペロブスカイト半導体 (ペロブスカイトと省略) は100°C程度の低温プロセスで作製可能で、そのペロブスカイト太陽電池は太陽光に対する光電変換効率が20%と高いことから、次世代型太陽電池として、大学・国研の他、企業で研究が進められている。ペロブスカイト太陽電池は、光を吸収して電子と正孔を発生するペロブスカイト層を、電子輸送層と正孔輸送層で挟み込んだ構造をしている。ペロブスカイト太陽電池を研究している研究者の間では、電子輸送層側から光照射するデバイス構造を「順構造」、正孔輸送層側から光照射するデバイス構造を「逆構造」と呼んでいる。「順構造」において電子輸送層形成に150°C以上の焼結 (高温) プロセスが必要であることから、国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) では、より低温プロセスになる、室温から100°Cの範囲でスパッタや蒸着、スピンコートで作製可能な、「逆構造」のデバイスについて、高効率化とともに長期信頼性を向上させる検討を行っている。これまで「順構造」に対して、「逆構造」デバイスの光電変換効率が低いとされていたが、界面処理によって光電変換効率20%以上を達成し、1,000時間の連続光照射下で、光電変換効率20%を維持することができた。 　ペロブスカイト太陽電池を実用化するには、発電コストを飛躍的に下げることが求められる。そのためには、低温プロセスによって製造コストをより低く抑え、総発電量を大きくする必要がある。総発電量は太陽光強度 (標準のAM1.5Gでは1kWm – 2、ただし、雨、曇りもあるかもしれない。) と光電変換効率の掛け算を発電した時間 (朝から夕方、四季、10〜20年) で積分した値であり、長期信頼性に関わる。以上を踏まえた上で、ペロブスカイト太陽電池の次世代型太陽電池としての可能性を議論したい。

1. ペロブスカイト太陽電池の動向
   1. 太陽光発電
   2. ペロブスカイト太陽電池の位置づけ
2. ペロブスカイト太陽電池のデバイス構造
   1. 順構造と逆構造 (歴史的背景)
   2. 逆構造の特長 (低温プロセス)
3. ペロブスカイト太陽電池作製方法
   1. ペロブスカイト薄膜
   2. 正孔輸送層
   3. フラーレン電子輸送層
4. 界面制御
   1. ペロブスカイト/NiOx正孔輸送層界面
   2. ペロブスカイト/フラーレン電子輸送層界面
5. 長期信頼性
   1. 加速試験 (屋内加速試験)
   2. 屋外試験
• 質疑応答

第3部 ペロブスカイト太陽電池の高耐久性新規有機ホール輸送材料の開発

(2023年11月21日 14:15〜15:15)

　ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けて、その耐久性に関する研究開発は非常に重要である。現在広く用いられている有機ホール輸送材料は高い性能を与えることが知られているが、一般的にはドーパント類を添加して使用する場合が多く、ドーパントを用いないで高い性能を与えるホール輸送材料は少ない。 　本セミナーでは、ドーパントを用いないで高効率化と耐久性の向上が実現できる新規有機ホール輸送材料の研究について紹介する。更に、工場生産等の実用化を考えた上で環境に対して影響の少ない溶媒にも可溶なホール輸送材料の開発についても合わせて紹介する。

1. ペロブスカイト太陽電池について
   1. ペロブスカイト太陽電池の動作原理
   2. ペロブスカイト太陽電池の特徴
   3. ペロブスカイト太陽電池の今後の課題
2. ペロブスカイト太陽電池用高耐久性ホール輸送材料の開発
   1. ドーパントフリー有機ホール輸送材料について
   2. 新規有機ホール輸送材料の合成
   3. 新規有機ホール輸送材料を用いたペロブスカイト太陽電池の作成
   4. ドーパントフリー有機ホール輸送材料を用いたペロブスカイトの耐久性について
3. 非ハロゲン系溶媒に可溶なドーパントフリー有機ホール輸送材料の開発
   1. 非ハロゲン系溶媒 (グリーンソルベント) に可溶なホール輸送材料について
   2. 非ハロゲン系溶媒に可溶な新規有機ホール輸送材料を用いたペロブスカイト太陽電池の作成
   3. 非ハロゲン系溶媒に可溶な新規有機ホール輸送材料を用いたペロブスカイト太陽電池の効率と耐久性について
4. まとめ
• 質疑応答

第4部 ペロブスカイト太陽電池の開発・応用と透明電極

(2023年11月21日 15:30〜16:30)

　カーボンニュートラルの切り札として、化石燃料から再生可能エネルギーへの代替が進んでいるが、本講座で紹介するペロブスカイト太陽電池は、既存のシリコン型太陽電池に比べ、鉱物資源に依らず、また低温プロセスで製造可能であるため、真に環境対策となりうる次世代型太陽電池の本命と言われ、各国で開発が進んでいる。 　本講座では、その性能及び特徴付けから、単なる屋外型ソーラーパネルとしてだけでなく、IoT機器・センサー用の電源モジュールの可能性について、紹介する。 　当社はディスプレイ関連の事業に長く関わっており、その製造プロセスから用途まで関連するスキルに関し、熟知している。その中、ディスプレイとの親和性が高い太陽電池についても、長く研究開発してきており、有機系太陽電池での参入の機会を伺っていた。その中で一早くペロブスカイト太陽電池の将来的な可能性を見出し、事業参入を決め、マーケティング活動を実施するとともに、事業パートナーを調査し、オープンイノベーションを活用し、早期の事業化を目指している。その過程での、特徴づけは、客観性があり、分かりやすく、誰にでも理解できるよう、ペロブスカイト太陽電池について講演できると自負している。

1. 太陽電池全般について
   1. 光電変換素子について
   2. 太陽電池の種類
   3. ペロブスカイト太陽電池
2. ペロブスカイト太陽電池の特徴
   1. ペロブスカイト構造
   2. ペロブスカイト太陽電池の特徴
   3. シリコン系太陽電池との比較
   4. ペロブスカイト太陽電池の優位性と課題
3. ペロブスカイト太陽電池の透明電極
   1. ペロブスカイト太陽電池の透明電極の要求・特性と成膜
   2. ディスプレイ透明電極基材の活用
4. 事業化について
   1. ホシデンの概要
   2. 事業戦略
   3. 事業パートナーについて
5. ペロブスカイト太陽電池のIoT機器・センサーへの電源モジュールとしての応用
   1. ペロブスカイト太陽電池の応用
   2. 電源モジュールの回路構造
• 質疑応答