立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

有機・無機ハイブリッド太陽電池のためのナノオーダーで制御する繰り返し製膜法の創生Introduce of Alternatie Vacuum Deposition Method for Perovskite Solar Cells
2177007

産業技術総合研究所
産総研特別太陽光発電研究センター
山研究員
有機系薄膜チーム(助成受領時：金沢大学大学院自然科学研究科物質化学専攻 博士後期課程 3 年)

研究代表者

金沢大学新学術創生研究機構
再生可能エネルギーユニット

共同研究者

教 授

當本

晃平

摩

哲也

る。一 般 的 に，メ チ ル ア ン モ ニ ウ ム 塩 分 子[研 究 の 目 的］

(MeNH 3) やヨウ化セシウム (CsI) 分子をヨ
光を吸収する層としてペロブスカイト結晶膜

ウ化鉛 (PbI 2) 膜にインターカレートさせて，を用いるペロブスカイト太陽電池 (PSCs) の光電変換膜であるペロブスカイト結晶膜を作製研究は現在，世界中で活発に行われている。ペしている。液相反応の溶液塗布法は作製方法とロブスカイト結晶膜の特徴として，材料の吸光して簡便で低コストであるが，反応しない原料係数が高いといった特徴があるため，薄いペロが残存し，不純物となるために半導体として駆ブスカイト結晶膜を作製しても効率よく光を吸動しない問題がある。本研究では溶媒を用いな収することが可能である。そのことからペロブい気相反応の真空蒸着法に着目し，ナノオー

スカイト太陽電池は従来のシリコン太陽電池とダーで入り込む CsI 分子のインターカレートを比較して，薄く軽量に作製することが可能な太制御することで，PSCs の高性能化を目指す。

陽電池である。また，ペロブスカイト結晶膜は[研究の内容，成果］

有機物と無機物を液相反応の溶液塗布法や気相反応の真空蒸着法を使って，反応させることで作製できるため，製造プロセスの簡略化による(1) 交互積層製膜法の積層回数の検討低コスト化ができ，かつ実用化しているシリコ

高性能化には，いかにきれいな無機層を製膜ン太陽電池と同程度の高い光電変換効率が達成して，無駄なく CsI 分子をインターカレートさされている次世代太陽電池として注目されていせるかが重要である。そのため，真空蒸着法に

図1

ペロブスカイト太陽電池について― 1 ―立石科学技術振興財団

より数ナノ程度の高純度・高結晶 bI 2極薄膜を表面に凝集体が観察された。この凝集体は積層製膜し，真空蒸着法で CsI 分子の供給を緻密に回数が増すごとに量が減っていることが分かり，制御してインターカレートさせ，これを繰り返

PSCs の PCE に何らかの影響が与えているこすことで達成する。数ナノの交互積層での高品とを示唆するため，各積層回数条件の膜を X質ペロブスカイト化を作り出せる layer-by-線回折法により評価を行った。

layer インターカレート製膜法を開発する。さいる。しかし，PbI 2と CsI のインターカレーらに，この技術を環境に悪い Pb ではなく Snトのメカニズムについて分かっておらず，更なに変換したペロブスカイト結晶膜に応用し，製る特性を向上させるには，このメカニズムの解膜技術の確立を行う。

明や結晶相の同定，結晶性・配向性を評価することが重要である。(1) で行った交互積層条件(2) 交互積層製膜法の積層回数の検討のそれぞれの膜について X 線回折法により評本 研 究 の CsPbI 3 ペ ロ ブ ス カ イ ト は，PbI 2価した結果を図 3 に示す。どの条件においてもと CsI を 積 層 さ せ，ホ ッ ト プ レ ー ト で 加 熱回折パターンがリング状に出ており，これらの(350℃) することで CsI を PbI 2 にインターカ膜は多結晶であることが分かった。代表的に面レート (熱拡散) させて得ている。現在までに外方向について同定を行うと，どの積層条件に報告されている例では粉末の CsPbI 3 があり，お い て も，α-CsPbI 3 の ピ ー ク が 確 認 さ れ た。

結晶相に α 型，δ 型の 2 種類あることが知られ一方で，新たなピークとして Cs 4PbI 6が観察さて図 2 に現在までに検討を行った交互積層条件

れ，膜内部に Cs 4PbI 6が存在していることが分を示す。

かった。そこで，α-CsPbI 3と Cs 4PbI 6の強度比

また表 1 にそれらの膜を PSCs に使用した時の太陽電池特性を示す。2 回交互積層により製について調査を行い，膜内部の存在比について検討を行った。

膜された素子において最も高い PCE=6.79%

表 2 に各交互積層条件における α-CsPbI 3 とが得られた。また，3 回，4 回交互積層では予Cs 4 PbI 6 の強度比を示す。結果として，表 1 で想に反し，性能の低下が見られたが，再現性は最も性能の高い 2 回交互積層には Cs 4PbI 6が多向上した。これらの原因について考察するため

く含まれており，一方で，最も性能の低かったに SEM を用い膜表面の観察を行ったところ，

4 回積層は Cs 4 PbI 6 は比較的少ないことが分

図2
表1

現在までに検討した交互積層膜

各交互積層条件で製膜した際の太陽電池特性

Jsc (mA/cm 2) Voc (V)
単純積層
12.060.71
2 回交互積層
11.98
0.79
3 回交互積層
9.46
0.76
4 回交互積層
11.040.66
共蒸着
14.33
0.68

― 2 ―

FF
0.67
0.72
0.70
0.65

PCE (%)
5.71
6.79
5.01
4.77

Ave
4.02±1.20
4.35±1.36
3.85±0.60
3.76±0.62

0.60

5.81

4.39±1.46

Tateisi Science and Technology Foundation物性について調査後，交互積層法を用いて膜内部の CsPbI 3 と Cs 4 PbI 6 の組成比を制御し，Cs 4PbI 6の素子特性への影響を明らかにする。
[成果の発表，論文等］
・論文；大会・研究会・学会
1)

山本晃平他，2D-GIWAXS 法による無機系ペロ
ブスカイト薄膜の作製手法の検討第 78 回応用物理学会秋季学術講演会
2)

5p-PA3-27 (2017. 09)

山本晃平他，無機ペロブスカイト薄膜形成過程の2D-GIWAXS 法によるその場観察，第 65 回応用物
理学会春季学術講演会

投稿済 (2018. 03)

・論文；国際会議
1)

Kohei Yamamoto et al., “Study on perovskite film
quality controlled by PbI2 crystalline for perovskite
solar cells using two-step method”, M&BE9,

図 3 2D-GIXD 像P-C-029 (2017. 06)
2 ) Kohei Yamamoto et al., “Influence of crystallinity

表2強度比
α-CsPbI 3/
Cs 4PbI 6

各積層条件での α-CsPbI 3と Cs 4PbI 6強度比
1 回積層

2 回積層

3 回積層

4 回積層

1.80

1.72

3.43

4.03

of PbI2 film toward perovskite solar cells fabricatedby two-step coating method”, ECME2017, P 02-040(2017. 08)3 ) Kohei Yamamoto et al., “Investigation of Thermal
Treatment Effects of PbI2 Film Yielded Two-stepかった。つまり，Cs 4PbI 6が CsPbI 3太陽電池への特性向上に寄与していることが示唆された。

Type Perovskite Solar Cells”, SSDM2017, PS-15-06(2017. 09)
4)

Kohei Yamamoto et al., “Crystal Growth Controlof PbI2 Thin Film by Thermal Treatment for Planar
Perovskite Solar Cells Fabricated by Two-Step[今後の研究の方向，課題］

Coating Method”, 2017MRS fall Meeting, ES01. 13.
35 (2017. 11)(1)，(2) の結果を踏まえて，Cs 4PbI 6単膜の― 3 ―