鉛フリーのペロブスカイト型太陽電池の研究
大阪産業大学 大阪桐蔭高等学校
中島 哲人
１．はじめにとして、主に、p型の有機半導体であるSpiro

2009年に桐蔭横浜大学の宮坂力教授が開-MeOTAD[2,2',7,7'-テトラキス(N,N-ジ-p-

発したペロブスカイト型太陽電池が世界中

メトキシフェニルアミノ)-9,9'-スピロビフから注目されている１） 。普段生活で利用さルオレン]が使用されている。ただし、このれている太陽電池には様々な問題がある。

試薬は高価なので、もっと安価なp-型半導例えば、シリコン型太陽電池は高価であり、体の材料の使用が望まれる。p-型の有機半

色素増感型太陽電池は液漏れするなどの問導体として、もっと安価な金属フタロシア

題がある。

ニン（金属としては銅、亜鉛、塩化アルミ

ペロブスカイト型太陽電池は、薄い膜をニウム、鉄）や、ルブレンなどの材料を使使うため単位面積当たりのコストが安い上、うことができるか、その場合に得られる電シリコン型太陽電池に迫る16％を超える効流や電圧に問題がないか検討することが重率を得られている。ただし、ヨウ化鉛とヨ要である。

ウ化メチルアンモニウムからメチルアンモ

ペロブスカイト型太陽電池が起電力をもニウムヨウ化鉛のペロブスイカイト層を使つ原理は、表面積の大きなメソポーラスTiO2

うため、鉛の毒性に問題がある。この毒性層を用いてペロブスカイト光吸収体の体積の問題を解決する必要があり、鉛フリーのを増やし、光による電子励起を増やす。光

スズ型のペロブスカイト太陽電池の研究２）生成された電子はメソポーラスTiO 2 層に注が重要である。

入され、最終的に集電体の電極に達する。

ペロブスカイト層で生成した正孔と電子

一方で、正孔はSpiro-MeOTADや銅フタロシを分離するために使われている正孔輸送層

アニンに移動し正極金属のAuに到達するこ

図１

ペロブスカイト太陽電池と実験概要
−
- 29
29 −

とで、起電力を生じる（図１参照）。

レート(IR-4000)

高校の化学基礎・化学の酸化還元の単元における電池の教材として、今話題のペロ＜実験方法＞（１）緻密ブロッキング層の作成

ブスカイト型太陽電池を取り上げることは、

TiO 2 前駆体溶液のスプレー塗布・化学熱

生徒の興味を引き付けることができ、大変分解法（スプレーパイロリシス法）：

有意義である。さらに高校の部活動の課題

チタニウム（Ⅳ）オキシアセチルアセト

研究として、ペロブスカイト太陽電池の作

ナート(CH 3COCHCOCH 3) 2TiO（約63 ％イソプ

製に取り組むことは、生徒の研究心を育て

ロピルアルコール溶液）0.600 mLをエタノることができ、非常に重要である。

ール50.0mLに加え、0.0300mol/Lの溶液を作本研究目的は、ペロブスカイト型太陽電った。スプレーされないようにアルミ箔で池の問題点（鉛の問題、高価な正孔輸送層

一部をマスクした導電性ガラス板FTOを550など）の解決に向けて、高校の課題研究と℃にした赤外線ホットプレートの上に置いして取り組み、高校の化学の教材として提た。チタニウム（Ⅳ）オキシアセチルアセ

供することにある。

トナートのエタノール懸濁液をガラス容器（エアーブラシ用ボトル）に入れ、コンプ２．研究方法

レッサーに接続したエアーブラシよりスプ＜試薬・材料＞

レーした。スプレーはドラフト装置内で空チタニウム(Ⅳ)オキシアセチルアセトナー
ト(CH3COCHCOCH3)2TiO、エタノール、酸化チタ

気を吸引しながら行った。
（２）メソポーラス TiO ₂層の作成

ン粉末P-25（日本アエロジル社製)、硫酸チタ

酸化チタン粉末P-25を1.00g、ポリエチレ

ニル、過酸化水素、ポリエチレングリコール、

ングリコール１.49〜1.55g、氷酢酸0.80～

氷酢酸、ヨウ化メチルアンモニウム、ヨウ化

1.70mLをそれぞれ量って混ぜた。これをペ鉛(Ⅱ)、ジメチルホルムアミド、Spiro-MeO

ースト状にしたものをチタンペーストとすTAD｛2,2',7,7'-テトラキス(N,N-ジ-p-メトキ

る。テスターを用いて導電性ガラスの抵抗

シフェニルアミノ)-9,9'-スピロビフルオレ

を調べ、抵抗が低い部分（スプレーされてン｝、銅フタロシアニン、クロロベンゼン、

いない部分）を残し、それ以外の部分にガリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニ

ラス棒を用いてチタンペーストを薄く塗りル）イミド、2,6-ルチジン、臭化スズ（II）、

広げた。チタンペーストを塗った伝導性ガ

臭化メチルアンモニウム、導電性ガラス板FT

ラスを100℃にしたホットプレートで乾燥させた後、電気炉を用いて450℃で10分間、ペO(10Ω/sq.)、金箔ーストが一度茶色くなり、再度白くなるま＜器具＞
超音波洗浄機、電気炉(城田電気炉材、GT2)、ドラフト装置、乳鉢、ガラス棒、ミノム
シクリップ、テスター、電流計、電圧計、ホで加熱した。焼きあがったガラスが割れないように常温でゆっくり冷やした３）。
(２-２） 緻密ブロッキング層とメソポーラ
スTiO₂層の低温合成法による作成

ットプレート、マイクロピペット、赤外線温度計、650Ｗタングステンランプ、150Ｗキセ

導電性ガラス板ITOの表面に緻密ブロッキ

ノンランプ、ミニコンプレッサー(キソパワ

ング層とメソポーラス TiO₂ 層を化学溶液析ーツール)、エアーブラシ、赤外線ホットプ

出法により製膜した４）。50ｍLのビーカーに0.03

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- 30
30 −

写真２

ペロブスカイト層

ンコーターを使って、メソポーラス層の上から薄く塗布した。電気炉で100℃に30分間加熱してCH3NH3SnI3、CH3NH3SnBrI2、CH3NH3Sn
Br 2 I、CH 3 NH 3 SnBr 3 の４種類のスズ型のペロ
写真１

化学溶析出法ブスカイト層を作製した（写真２）。

mol/L硫酸チタニルと0.03mol/L過酸化水素（４）正孔輸送層の作成になるように入れ、ITO板を入れ、80℃の水試薬の作製：

浴で10分間マグネチックスターラーで攪拌Spiro-MeOTADを0.0610g、クロロベンゼン

し（写真１）、生成した膜を 150℃ で加熱し5.00mLに溶かした（0.0996mol/L）。さらに、た。この操作を数回繰り返し、厚さが異な

正孔移動度の増幅のために、リチウムビス

るものを作成した。

（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（３）ペロブスカイトの作成

を43.0mg（0.0300mol/L）、2,6-ルチジンを鉛ペロブスカイト型太陽電池ヨウ化メチ

0.110g(0.0200mol/L)加えた。銅フタロシア

ルアンモニウム0.160gとヨウ化鉛(Ⅱ)0.154

ニンの場合は0.107gをクロロベンゼン10.0mLgをモル比3:1でジメチルホルムアミド20.0mLに溶かし、リチウムビス(トリフルオロメチに溶解し、チタンペーストの上に4.00µL塗

ルスルホニル)イミドを86.0mg（0.0300mol/

布した。電気炉を使い100℃で30分間アニーL）、2,6-ルチジンを0.230mg（0.0400mol/L）

ル処理し、溶媒と過剰のヨウ化物を昇華さ加えた。

せ除去した。これらの処理はドラフト装置

正孔輸送層（Spiro-MeOTAD、銅フタロシア

内で空気を吸引しながら行った。また、研ニン）の成膜:究２以降では鉛フリー（スズ）型ペロブス

乾燥膜厚が約100nm(0.100µm)になるよう

カイト太陽電池も作製しており、ヨウ化メにマイクロピペットを用いて4.5µL塗布し、チルアンモニウムまたは臭化メチルアンモ

100℃で1分間乾燥して、成膜した（写真３）。

ニ ウ ム と ヨ ウ 化 ス ズ (Ⅱ )ま た は 臭 化 ス ズ(Ⅱ)をモル比３:１になるようにジメチルホ
ルムアミドに溶解させたものを用いた。ヨウ化メチルアンモニウム・臭化メチルアン
モニウムとヨウ化スズ（Ⅱ）・臭化スズ（Ⅱ）
をジメチルホルムアミドに溶かして、スピ
写真３
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- 31
31 −

銅フタロシアニンの膜短絡しないように、正孔輸送層がついていない部分はマスキングテープを使い、マ

４. 実験結果と考察
研究１ 鉛型太陽電池（ペロブスカイト：CH3
NH3PbI3正孔輸送層：Spiro-MeOTAD）

スキングし、金箔を貼り完成させた。

研究1-1：TiO2膜厚と開放電圧の関係（５）I－Ｖ特性曲線の測定方法
ITO板を負極に接続し、金属箔を張った面＜実験条件＞

を正極に接続し、キセノンランプからの光実験方法(2)でチタンペーストを塗る量をを照射する。抵抗を 0（短絡電流）、10、20、

変えてメソポーラスTiO 2 層の膜厚を変化さ

51、100、200、1000、10000、∞（開放電圧）Ω

せ、開放電圧を測定した。正孔輸送層にはに切り替えて、電流と電圧を同時に測定し、Spiro-MeOTADを用いた。また、実験方法(4)電流-電圧曲線を作成する。電流と電圧からで正孔移動度増幅剤を加えたものと加えて得られる電力を計算し、光源の光強度と比いないものの２種類を作製した。さらに、

較することにより、エネルギー変換効率を

接触をよくするために、金箔を挟んだもの求める。

とそうでないものを作製した。

光源からの熱による影響を調べるために、＜実験結果＞
作製した鉛型ペロブスカイト太陽電池のドライアイスを使って冷やすことにより、中で膜厚の最も薄いもののI－Ｖ特性曲線は性能の変化を調べた。

次のようになった（図２-５参照）。また、TiOの膜厚の違いによる開放電圧、短絡電流の３．研究目的2（１）鉛（Pb）型

差は次のようになった（図６-a,b参照）。

ペロブスカイト材料としてCH3NH3PbI3を用い＜考察＞る。メソポーラスTiO2層の膜厚や、正孔移動

今回作製した鉛型ペロブスカイト太陽電度増幅剤の有無、正孔輸送層と正極の間に挟池の開放電圧や短絡電流がより大きくなる

む金箔の有無、用いるランプの違いや、温度条件は、次の３点である。

がそれぞれ性能にどう影響するのかを研究する。

①メソポーラスTiO2層の厚さを薄くする。

（２）鉛フリー（スズ）型②リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、2,6-ルチジンを正ペロブスカイト材料としてCH3NH3SnBrxI3-x孔輸送層に添加する。

(X=0,1,2,3)を用いることで、鉛型ペロブスカ③金箔を正孔輸送層と正極の間に挟む。

イト太陽電池より毒性を少なくする。正孔輸
送層にはSpiro-MeOTADを用いる。また、ペロ
ブスカイト材料に何を用いると開放電圧が高くなるのか、あるいは何を用いると短絡電流が大きくなるのかを研究する。

い時よりよくなるということがわかった。
研究1-2：ランプによる差、および温度による差（３）正孔輸送層
正孔輸送層に銅フタロシアニンを用い、ペロブスカイト材料にCH3NH3SnBrxI3-x (X=0,
1,2,3)、CH3NH3PbI3を用いることで、3.の（2）と比較し、正孔輸送層に用いる材料が性能にどう影響するのかを調べる。

以上の条件を含むと、電池の性能が含まな＜実験条件＞
研究1-1で作製した、正孔輸送層にSpiroMeOTADを用い、正孔移動度増幅剤を混ぜた
鉛型ペロブスカイ太陽電池を使って、測定の際にタングステンランプではなくキセノ
ンランプを用いてI－Ｖ特性曲線を調べた。

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- 32
32 −

図２

I-Ｖ特性曲線（鉛型,Spiro-MeOTAD,

図３

増幅剤なし,金箔あり,タングステンランプ, 室温）

増幅剤なし,金箔なし,タングステンランプ, 室温）

図４I-Ｖ特性曲線（鉛型,Spiro-MeOTAD,

図５

図６-b

メソポーラスTiO ２層の厚さと開I-Ｖ特性曲線（鉛型,Spiro-MeOTAD,

増幅剤あり,金箔あり,タングステンランプ, 室温）増幅剤あり,金箔なし,タングステンランプ, 室温）

図６-aI-Ｖ特性曲線（鉛型,Spiro-MeOTAD,

放電圧の関係メソポーラスTiO ２ 層の厚さと短絡電流の関係また、測定の際に温度が上がってしまうとセノンランプを用いた図７（条件は用いた性能が落ちてしまうため、太陽電池をドラランプのみ異なる）を比較すると、図７のイアイスで冷やしながら測定した。

方が図５よりも電流が大きく、電圧が高く＜実験結果＞

なっている。したがってキセノンランプを

上記条件でI－Ｖ特性曲線を調べると次のようになった（図７、８参照）。

用いた方がより大きな電流、より高い電圧を出すことができると考えられる。

＜考察＞

また、室温の状態で測定した図７とドラタングステンランプを用いた図５と、キイアイスで冷却しながら測定した図８を比

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- 33
33 −

図８ I-Ｖ特性曲線（鉛型,Spiro-MeOTAD,

図７ I-Ｖ特性曲線（鉛型,Spiro-MeOTAD,
増幅剤あり,金箔あり,キセノンランプ, 室温）増幅剤あり,金箔あり,キセノンランプ,ドライアイス）

較すると、図８の方が、電流が大きくなっ

研究２ 鉛フリー型太陽電池（ペロブスカイトている。これは、図８の方が図７より温度

H3NH3SnBrxI3-x正孔輸送層：Spiro-MeOTAD）

が低い条件下で実験したため、図８でのFTO研究2-1：ペロブスカイトにCH₃NH₃SnI₃を用いの結晶格子の振動が図７ほど激しくなかったため、電子が通り易かったからであるとたもの＜実験条件＞

考えられる。

ヨウ化メチルアンモニュウム0.0324ｇとヨ＜研究１ まとめ＞

ウ化スズ（Ⅱ）0.0247g（モル比3：1）をジ

今回作製した鉛型ペロブスカイト太陽電

メチルホルムアミド2.00mLに溶解したものを、池の開放電圧や短絡電流がより大きくなる

4.00µL塗布し、100℃のホットプレートでアニ

条件は、次の５点である。

ール処理し、溶媒と過剰のヨウ化物または臭①メソポーラスTiO2層の厚さを薄くする。

化物を昇華させ除去し、ペロブスカイトを作②リチウムビス（トリフルオロメタンス製した。正孔輸送層はSpiro-MeOTADに正孔移ルホニル）イミド、2,6-ルチジンを正動度増幅剤を添加したものを用い、正極金属孔輸送層に添加する。

は金を用いた。

③金箔を正孔輸送層と正極の間に挟む。
④タングステンランプではなくキセノン
ランプを用いる。

＜実験結果＞
上記の条件でI－Ｖ特性曲線を調べると下。
のようになった（図９参照）⑤ドライアイスで冷却する。
また、研究２、研究３ではメソポーラスTiO2層の厚さを薄くし、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、2,6-ルチジンを正孔輸送層に添加し、金箔を正孔輸送層と正極の間に挟み、キセノンランプ
を用い、ドライアイスで冷却して実験を行った。

図９ I-Ｖ特性曲線（スズ型,CH3NH3SnI3,
Spiro-MeOTAD）

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34 −

研究2-3：ペロブスカイトにCH₃NH₃SnBr2Iを用＜考察＞
ペロブスカイト材料にCH3NH3SnI3を用いてペロブスカイト太陽電池の作製に成功した。

いたもの＜実験条件＞

電池の性能は、開放電圧142mV、短絡電流39µAとなった。

ヨウ化メチルアンモニウム0.160gと臭化スズ（Ⅱ）0.0920g（モル比3：1）をジメチ

これらは、研究１-２の図８にある従来のルホルムアミド10.0mLに溶解したもの用い、

鉛型ペロブスカイト太陽電池の開放電圧606mV、他は同様に行った。

短絡電流126µAと比べると、開放電圧は30％＜実験結果＞

しか出ておらず、短絡電流は12％になった。
研究2-2：ペロブスカイトにCH₃NH₃SnBrI2を用

上記の条件でI－Ｖ特性曲線を調べると次のようになった（図11参照）。

いたもの＜実験条件＞
臭化メチルアンモニウム0.0227gとヨウ化ス
ズ（Ⅱ）0.0242g（モル比3：1）をジメチルホ
ルムアミド2.00mLに溶解したものを用い、他は同様に実験した。
＜実験結果＞
上記の条件でI－Ｖ特性曲線を調べると次図11 I-Ｖ特性曲線（スズ型,CH3NH3SnBr2I,Spiro-MeOTAD）のようになった（図10参照）。

＜考察＞
Sn（スズ）を用いて作製したペロブスカイ
ト型太陽電池では開放電圧が334mVで、研究１－２の図８のデータの開放電圧の52％得られた。
研究2-4：ペロブスカイトにCH₃NH₃SnBr3を用いたもの

図10 I-Ｖ特性曲線（スズ型,CH3NH3SnBrI２,Spiro-MeOTAD）＜実験条件＞
臭化メチルアンモニウム0.112gと臭化ス＜考察＞
ペロブスカイト材料にCH₃NH₃SnBrI₂を用いてペロブスカイト型太陽電池の作製に成功した。電池の性能は、解放電圧150mV、短絡電流54µAとなった。
これらは、研究１-２の図８にある従来の鉛型ペロブスカイト太陽電池の開放電圧606mV、
短絡電流126µAと比べると、開放電圧は25％しか出ておらず、短絡電流は43％になった。

ズ Ⅱ）0.0920g（モル比3：1）をジメチル
ホルムアミド10.0mLに溶解したものを用い、他は同様に実験した。
＜実験結果＞
上記条件で電流―電圧曲線を調べると次のようになった（図12参照）。
＜考察＞
CH₃NH₃SnBr3を用いて作製したペロブスカ
イト型太陽電池では開放電圧が研究１-２の

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35 −

＜考察＞
正孔輸送層にSpiro-MeOTADを用いた鉛フリー型ペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカ
イト材料のBrの数が増えるにしたがって、電圧はやや増加し、電流は減少した。参考文献
２）によると、それぞれのペロブスカイト材
料のHOMO-LUMOのエネルギーギャップは表１の
図12 I-Ｖ特性曲線

ようである。

（スズ型,CH3NH3SnBr３,Spiro-MeOTAD）

この表のエネルギーギャップと各鉛フリー
ペロブスカイト太陽電池の開放電圧、短絡電

図８のデータの短絡電流の５％得られた。

流との関係は次のようになった（図15、16参照）。

CH₃NH₃PbI₃の方が、短絡電流が得られると考えられる。
研究2-5：鉛フリー（スズ）型ペロブスカイト
太陽電池のBr含有量と電池の性能＜実験結果＞
研究２-１～研究２-４で測定したI－Ｖ特性曲線から、開放電圧・短絡電流の値をCH3NH3S
nBr x I 3-x のＸの値とともにグラフを作製した（図13、14参照）。

図15 HOMO-LUMOエネルギー差と開放電圧の関係

図13 Br含有量と開放電圧の関係

図16 HOMO-LUMOエネルギー差と短絡電流の関係
開放電圧はエネルギーと正の相間があると考えられ、短絡電流はエネルギーギャッ
図14 Br含有量と短絡電流の関係

プと負の相関があると考えられる。図１に
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- 36
36 −

示したように、起電力はHOMO-LUMOのエネル

研究3-1：鉛型（ペロブスカイト：CH3NH3PbI3 ,ギーギャップに対応しているため、正の相

正孔輸送層：銅フタロシアニン）＜実験条件＞

関があることは納得できる。
短絡電流については、タングステンラン

正孔輸送層をSpiro-MeOTADから銅フタロ

プの光のうち、電子励起できる波長の光のシアニンに変えて作製した。メソポーラス

割合が、エネルギーギャップが大きいほど

TiO2層の膜厚は0.0720µmであった。

少なくなるため、単位時間あたりに励起さ＜実験結果＞
上記条件でI－Ｖ特性曲線を調べると次のれる電子が減少し、電流が小さくなったとようになった（図17参照）。

考えられる。
＜研究２ まとめ＞
ペロブスカイト材料にCH3NH3SnI3 を用いると、従来の鉛型ペロブスカイト太陽電池の開放電圧606mV、短絡電流126µAと比べると、開放電圧は23％しか出ておらず劣るものの、短絡電流は13％増加した。
CH3NH3SnI3、CH3NH3SnBr2I、CH3NH3SnBrI2をそれぞれ用いたものの、短絡電流を比較す
ると、CH 3NH 3SnI 3では39µA、CH 3NH3SnBr 2Iで

図17 I-Ｖ特性曲線（鉛型,CH3NH3PbI３,銅フタロシアニン）

は30µAであるのに対し、CH3NH3SnBrI2では54µAであった。これより、CH3NH3SnBrI2を用い＜考察＞

ると他より電流が良くなると考えられる。
また、開放電圧を比較すると、CH3NH3SnI3

正孔移動度増幅剤を添加し正孔輸送層に銅では142.0mV、CH3NH3SnBrI2では、150mVであフタロシアニンを用いた図17と、正孔移動るのに対し、CH₃NH₃SnBr₂Ｉでは334mVであ度増幅剤を添加し正孔輸送層にSpiro-MeOTADった。これより、CH3NH3SnBr2Iを用いると、を用いた図８を比較すると、図17の短絡電

他より電圧が良くなると考えられる。

流の値は図８のものの71％になった。
このことから酸化チタンを酸化タンタル

研究３ 正孔輸送層を銅フタロシアニンに変えたものに変更し、改良することで銅フタロシアニ
ンを用いたペロブスカイト型太陽電池は

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- 37
37 −

Spiro-MeOTADを用いたものに劣らない性能＜実験条件＞
ヨウ化メチルアンモニウム0.160gと臭化が期待できる。

スズ（Ⅱ）0.0920g（モル比3：1）をジメチ
ルホルムアミド10.0mLに溶解したもの用い、

研究3-2：鉛フリー（スズ）型（ペロブスカ
イト：CH3NH3SnBrI2 , 正孔輸送層：

正孔輸送層は正孔移動度 増 幅剤を添加した

銅フタロシアニン）

銅フタロシアニンを用いた。その他は同様に行った。

＜実験条件＞
臭化メチルアンモニウム0.0227gとヨウ化＜実験結果＞
上記条件でI－Ｖ特性曲線を調べると次のスズ（Ⅱ）0.0242g（モル比3：1）をジメチ
ルホルムアミド2.00mLに溶解したものを用ようになった（図19参照）。

い、正孔輸送層は正孔移動度増幅剤を添加した銅フタロシアニンを用いた。その他は同様に行った。
＜実験結果＞
上記条件でI－Ｖ特性曲線を調べると次のようになった（図18参照）。

図19

I-Ｖ特性曲線（スズ型,CH3NH3SnBr２I,銅フタロシアニン）＜考察＞
Sn（スズ）を用いたペロブスカイト型太陽電池では開放電圧が400mVで、研究２-３

図18 I-Ｖ特性曲線（スズ型,CH3NH3SnBrI２,銅フタロシアニン）の図12の開放電圧より20％高くなった。このことから、Spiro-MeOTADの代わりに銅フ
タロシアニンを使用したもので、開放電圧＜考察＞
Sn（スズ）を用いたペロブスカイト型太陽が高くなると考えられる。

電池では、開放電圧が49mVで短絡電流は21µAとまた、短絡電流は20µAで、66％程度得らなった。つまり、図10の開放電圧の数値の33れた。このことから、Spiro-MeOTADを使用％となり、短絡電流の数値の39％である。

した方が銅フタロシアニンを用いたものよ

このことから銅フタロシアニンの代わりにSpiro-MeOTADを使用した方が、開放電圧

り、短絡電流は得られると考えられる。
＜研究３ まとめ＞
ペロブスカイト材料に、CH3NH3PbI3、CH3NH3が高くなると考えられる。

SnBrI2、CH3NH3SnBr2Iの三種類を用いた場合、
研究3-3：鉛フリー（スズ）型（ペロブスカイ

いずれの時も正孔輸送層に銅フタロシアニン

ト：CH3NH3SnBr2I, 正孔輸送層：銅を用いたものより、Spiro-MeOTADを用いた時

フタロシアニン）の方が短絡電流の値が大きくなった。

−
- 38
38 −

ところが、これらの３種類のうち、CH3NH3S

４つの中では、CH3NH3SnBr2Iを用いたもnBr2Iを用いた場合のみ、正孔輸送層にSpiro-

ので開放電圧が最大になり、CH3NH3SnBrI2

MeOTADを用いた場合より銅フタロシアニンを用いたもので短絡電流が最大となった。

を用いた場合の方が、開放電圧が高くなった。

(3)鉛フリー（スズ）型太陽電池では、ペロ
ブスカイトのHOMO-LUMOエネルギーギャッ

研究４

緻密ブロッキング層とメソポーラ

プと開放電圧、短絡電流に関係があるこスTiO₂層の低温合成法により作成とがわかった。エネルギーギャップが大したもの

きくなると、開放電圧が大きくなる傾向

非常に薄く、均一な TiO₂ の緻密ブロッキンにあり、エネルギーギャップが小さくな

グ層とメソポーラス層を同時に作れること

ると、短絡電流が大きくなる傾向がある。

がわかった。この方法で作ると、電流密度

このことから、最大作用点での電力がが大幅に改善され、変換効率の向上するこ

最も大きくなるのは、スズ型の４種類のとがわかった。

中では、CH 3NH 3 SnBrI 2 やCH 3NH 3 SnBr 2Iなど

５. 結論あると推測できる。

中間のエネルギーギャップをもつもので(1)メソポーラスTiO2層の厚さを薄くするこ(4)ペロブスカイト材料として、従来の鉛型とで、開放電圧、短絡電流がより大きく

CH3NH3PbI3を用いたものと、鉛フリーのCH3N
H3SnBrI 2、CH3NH3SnBrI 2を用いたペロブス
カイト型太陽電池で、正孔輸送層を従来のSpiro-MeOTADから銅フタロシアニンに変えた太陽電池の作製に成功した。
さらに驚くべきことに、CH 3 NH 3 SｎBr 2Iを用いたものでは、Spiro-MeOTADを用いたものよりも開放電圧が20％程度高くなった。安価で低毒なペロブスカイト型太陽の実現に期待できる。
(5)緻密ブロッキング層とメソポーラスTiO₂層の低温合成法を用いると、均一な膜厚を非常に薄くできるので、電流密度が異常に大きくなることがわかった。

なった。また、正孔移動度増幅剤としてリチウム(トリフルオロメチルスルホニル)
イミドと2,6-ルチジンを添加することで、開放電圧が大きくなった。さらに、正孔輸送層と正極の接触をよくするために、金箔を挟むことで、開放電圧、短絡電流が大きくなった。
タングステンランプよりも強度の大きいキセノンランプを用いることで、開放電圧、短絡電流が大きくなった。今回の実験では用いてはいないが、さらに強度の強い疑似太陽光を用いることで、本実験よりも良い結果が得られると期待できる。
また、ドライアイスなどで電池を冷却することにより、開放電圧、起電力の低

６．今後の展望下を抑えることができた。

(1)正孔輸送層に金属フタロシアニンとし(2)ペロブスカイト材料に従来のCH3NH3PbI3て、今回銅フタロシアニンを用いたが、を用いたものと比べると、起電力はややFe、Znなどの金属フタロシアニンや無金

低いが、鉛フリーのCH 3NH 3SnBr x I 3-x(X=0,属フタロシアニンなどを使って、作製し1,2,3)をペロブスカイト材料に用いた４たい。

つのペロブスカイト型太陽電池の作製に(2)鉛フリー（スズ）型太陽電池では、ペロ成功した。

ブスカイトのHOMO-LUMOエネルギーギャッ
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プと開放電圧、短絡電流ペロブスカイト
材料のLUMOのエネルギーレベルが酸化チタンの伝導帯より十分にマイナスにあることから、酸化チタン以外の酸化タンタ
ルなどを使うことにより、さらに起電力の高い電池の作製が可能になると考えられるので、今後作製していきたい。

中島 哲人先生（なかしま てつと）

【参考文献】＜略歴＞

１） Lee,M.M.,Teuscher,J.,Miyasaka,T.,
Murakami,T.N.& Snaith,H.J.,Science 338,
643-647(2012), Efficient hybrid solar
cells based on meso-superstructured
organometal halide perovskite.
２）Feng Hao,Constantinos C.Stoumpos,
Duyen Hanh Cao,P.H Chang,Mercouri
G.Kanatzidis, Nature Photonics ,8 (6),489−494 (2014), Lead-free solid-stateorganic-inorganic halide perovskite
solar cells３）Seigo Ito,Takutou N.Murakami 1,
Pascal Comte 1,Paul Liska 1, Carole
Gratzel 1,Mohammad K.Nazeeruddin
1,Michael Gratzel, Thin Solid Films
516,4613-4619（2008). Fabrication ofthin film dye sensitized solar cellswith solar to electric power comversion
efficiency over 10%４）T. Kuwabara, H. Sugiyama, M. Kuzuba,
T. Yamaguchi and K. Takahashi, Org.
Electron., (2010), 11, 1136-1140
Inverted bulk-heterojunction organic
solar cell using chemical bathdeposited titanium oxide as electron
collection layer

1950年生まれ
1972年

九州大学理学部化学科

1977年

九州大学大学院理学研究科化学専
攻卒業

博士課程修了1979年～2009年
千葉県立の高等学校（天羽・流
山中央・流山東・柏中央）勤務
2010年 市川学園市川高等学校・大阪桐蔭
高等学校

勤務

現在に至る
＜研究歴＞
・光触媒、バイオマスからエチレンガスの製造などを研究
・2015年度よりペロブスカイト太陽電池の作成法を研究
＜勤務校＞
学校法人 大阪産業大学 大阪桐蔭高等学校〒574-0013

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大阪府大東市中垣内3-1-1
電話

072-870-1001