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ペロブスカイト太陽電池の劣化問題の原子レベル機構が理論計算から明らかに物質・材料研究機構(NIMS),科学技術振興機構(JST)

物質・材料研究機構(NIMS),科学技術振興機構(JST)の研究グループは,ペロブスカイト太陽電池の実用化にむけた重要課題である,劣化が速いこと,変換効率の再現性が低いことの原因として,陽イオン分子の拡散が重要な役割を果たすことを,原子レベルからの理論計算により証明したと発表した。

ペロブスカイト太陽電池は安価で高効率な次世代太陽電池として急速に研究が進んでいるが,劣化が非常に速く耐久性に大きな問題を抱えている。また,電流?電圧曲線に大きなヒステリシスが現れることが多く,電圧のかけ方によって変換効率が変動するという問題もあり,これらは実用化に対して大きな障壁となっていた。

この度,第一原理計算と反応経路の探索手法を組み合わせることにより,代表的なペロブスカイト材料内において,すでに予想されていた空孔を媒介とする陰イオンの拡散に加えて,これまで注目されて来なかった陽イオン分子も空孔を媒介として容易に拡散し,移動しうることを証明した。この陽イオン分子はペロブスカイト材料の構造維持に重要な役割を果たし,その移動は大きな構造の歪みをもたらすことから,速い劣化や変換効率のヒステリシスの有力な原子レベル機構であるといえる。さらに,これらの結果から空孔密度の減少やイオンサイズの制御が劣化等の抑制に有効であることが示された。この知見はNIMSをはじめ最近の実験研究により発表された劣化やヒステリシスが改善されたペロブスカイト太陽電池の原子レベルでの機構を明らかにするものとなっている。

今回の成果は,いまだに不明な点が多いペロブスカイト太陽電池内の原子レベル過程の理解を増進させ,高耐久性かつ高安定性を実現するための材料設計指針を与えるものであり,実用化可能なペロブスカイト太陽電池開発に大きく貢献することが期待される。

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