高光分解と逆バイアスに対して高い安定性を持つペロブスカイト太陽電池のモバイルヨウ化物捕捉

2024-06-03 Mon
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移動ヨウ素捕獲技術が高安定性のペロブスカイト太陽電池を推進背景紹介ペロブスカイト太陽電池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) は、その高効率と低コストにより、将来の光伏発電の有力候補材料と見なされています。しかし、ペロブスカイト材料自身の安定性の問題、特に光分解（Photolysis）とイオン移動（Ion Migration）は、実際の応用において重大な影響を与えます。具体的には、ヨウ素イオン（Iodide）やヨウ素空孔（Iodine Vacancies）などの欠陥が光照射やバイアス条件下で自己加速的な化学反応を引き起こし、ペロブスカイト材料の迅速な劣化を引き起こします。したがって、ヨウ素関連の欠陥を捕捉し安定化する方法の探索は、PSCsの安定性を向上させるために重要です。
論文の出典本論文は、Xiaoxue Ren、Jifei Wang、Yun Lin、Yingwei Wang、Haipeng Xie、Han Huang、Bin Yang、Yanfa Yan、Yongli Gao、Jun He、Jinsong Huang、およびYongbo Yuan らによって執筆され、それぞれ湖南大学材料科学与工程学院、中央南大学物理与電子学院、トレド大学物理与天文学系などの機関に所属しています。論文は『Nature Materials』誌に掲載されており、文章DOIはhttps://doi.org/10.1038/s41563-024-01876-2 です。
研究プロセスこの研究は、界面材料が動的に放出されるヨウ素を捕捉し、ヨウ素（ix-）の損失を防ぐ戦略を提案することで、ペロブスカイト太陽電池を保護することを目的としています。文中では以下の実験ステップを詳細に記載しています：
外因性ヨウ素分子の導入：
研究者はヨウ素/イソプロパノール溶液をスピンコーティングによってペロブスカイト表面に導入し、外因性ヨウ素（I2）分子を使用してヨウ素加速劣化の条件をシミュレートしました。研究では、導入されたヨウ素分子が光照射下でペロブスカイトの劣化を加速することが発見されました。
ソフトルイス酸の保護作用：
ペロブスカイト表面にC60、PCBM、PFi、5FiBなどの少量のソフトルイス酸（Soft Lewis Acids）材料をカバーすることで、これらの材料がヨウ素分子を効果的に捕捉し、ペロブスカイト材料の劣化速度を著しく遅らせることが発見されました。具体的な実験では、C60層でカバーされたペロブスカイト膜がUV光照射下で約10倍の安定性を示しました。
ラマン分光測定による検証：
ラマン分光を使用して異なる領域での測定により、C60層が分析層の上部でも下部でもヨウ素陰イオン（I3-）を効果的に捕捉できることが確認されました。これは、ソフトルイス酸がヨウ素を捕捉する能力が体系的であることを示しています。
異なる捕捉剤の比較：
PCBM、C60とFai、CSi、PBi2などのヨウ素化物の結合エネルギーを比較し、PFiがヨウ素を捕捉する能力が最も強いことが発見されました。これは、PFiの炭素-フッ素鎖端のヨウ素原子が強い吸電子性を持ち、負電荷のI-やIX-と効果的に結合するためです。
動的ヨウ素捕捉の安定性の応用：
電池の逆バイアス不安定性に対処するため、PFi/PCBM/C60を電子輸送層として採用した電池は極端な逆バイアス条件下でも良好な安定性を維持しましたが、界面最適化を行わない電池は短時間で効率が急速に低下しました。
主な結果保護機構：
研究では、PFiとC60がペロブスカイト薄膜から放出されたヨウ素やヨウ素自由基を捕捉することで、イオン移動を効果的に抑制し、界面金属の腐食を防ぎ、逆バイアス安定性を向上させることが確認されました。
安定性の著しい向上：
PFi/PCBM/C60をカバーした逆相型ペロブスカイト太陽電池は、逆バイアス下で100時間後に初期効率の90%を保持し、安定性は3桁向上しました。また、この構造の電池はUV光照射や熱光条件下でも顕著な安定性の向上を示し、それぞれ約10倍と30倍向上しました。
ヨウ素損失防止と製造良品率の向上：
製造過程において、PFi層によってヨウ素イオンの損失を効果的に防止し、最終製品の初期ヨウ素空孔濃度を低減させ、製品の良品率を著しく向上させました。
光電変換効率の向上：
PFi分子の双極子方向が電荷収集に有利であるため、PFi/PCBM/C60を電子輸送層として採用したペロブスカイト太陽電池の開路電圧（Voc）と光電変換効率（PCE）も向上しました。
結論と価値本研究は、界面ヨウ素/ヨウ化物捕捉戦略を通じてペロブスカイト太陽電池の光、熱、電気安定性を著しく向上させる新しい方法を提案しています。PFi/PCBM/C60を電子輸送層として採用することで、電池の安定性が向上するだけでなく、光電変換効率も向上し、実際の応用に信頼性を提供します。この革新はペロブスカイト太陽電池の商業化プロセスを進めるために重要な意味を持ちます。
定向ハロゲン結合によるイオン捕捉能力の向上と、逆バイアス下での性能の急激な低下の回避により、高効率で安定したペロブスカイト光伏産業に新しい方向を示し、巨大な応用価値と可能性を展示しました。