日本開發出鈣鈦礦光伏電池新材料，解決穩定性課題

日本東京大學研究生院化學專業的特聘教授中村榮一和特聘講師 Shang Rui 等人組成的研發小組，開發出了中性的高功能且穩定的空穴傳輸材料 「BDPSO」。 「BDPSO」 是同時含有高活性有機低分子和穩定性出色的無機鹽的 「有機-無機混合空穴傳輸材料」。

研發小組將 「BDPSO」 用作鈣鈦礦光伏電池的空穴傳輸層，大幅提高了太陽能電池製造過程中使用的空穴傳輸材料的性能穩定性，太陽能電池的壽命也大大提高。另外，面向實用化，研發小組還與三菱化學株式會社橫濱研究所共同實施了檢測試驗。

鈣鈦礦光伏電池可利用塗覆工藝製造，自從有報告顯示其轉換效率超過20％以來，作為新一代太陽能電池一直備受關注，目前全球範圍展開了激烈的研發競爭。這使得鈣鈦礦光伏電池的轉換效率一直在不斷提高，但穩定性始終存在巨大的課題，無法長期保持功能。明確穩定性低的原因，開發能夠提高穩定性的新材料，是鈣鈦礦光伏電池實用化路上的當務之急。

作為替代以往的酸性材料 「PEDOT：PSS」 的新型空穴傳輸層材料，研發小組開發出了中性物質 「BDPSO」。 「BDPSO」 在暗處保存1000個小時，性能未出現劣化；在35℃的光線下持續照射1300多個小時後，仍能維持初期性能的90％，其穩定性遠高於原有材料。這有助於加快鈣鈦礦光伏電池的實用化步伐。

＜研究成果＞

鈣鈦礦光伏電池的工作原理是，向鉛鈣鈦礦晶體（光敏層）照射光，形成激發態，把生成的 「電子」 和 「空穴」 分別 「提取」 到陽極和陰極，然後連接外部電路輸出電流（圖1）。這種 「提取」 不是自然發生的，而是需要在光敏層的上下方設置與電子和空穴親和性高的材料，強行提取。如何選擇材料，會大大影響太陽能電池的效率及元件的壽命。因此，圍繞最合適的有機或無機材料，全球展開了激烈的研發競爭。

此次新開發的中性材料 「BDPSO」 的特點是，空穴遷移率高（易於提取空穴）、易於溶入有機溶劑。另外，將 「BDPSO」 用於空穴傳輸層時，可以適當調節HOMO（最高已佔分子軌道）能級和鈣鈦礦的價帶等級配置。這樣能提高電荷提取速度及增加光電流。鈣鈦礦光伏電池的一大課題是電流-電壓曲線中的滯後現象，而此次採用了 「BDPSO」 的電池完全不存在這種現象，能獲得17％以上的高PCE（圖2）。

實驗發現，採用 「PEDOT：PSS」 的元件在空氣中保存時性能會急劇劣化，改為採用 「BDPSO」 後，在空氣中保存性能也很穩定，在35℃環境下持續照射光線1300多個小時後，仍能維持初期性能的90％（圖3）。

「BDPSO」 可經由圖4所示的兩條途徑，利用市售的價格低廉的有機物，最少可分兩步合成，而且能通過重結晶輕鬆精鍊。在截至目前開發出的各種空穴傳輸材料中，有望成為最容易獲得的材料。

＜參考圖＞

圖1：鈣鈦礦光伏電池的工作原理和 「有機-無機混合空穴傳輸材料：BDPSO」的特點

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  向光敏鉛鈣鈦礦晶體（光敏層）照射光，形成激發態，把生成的 「電子」 和 「空穴」 分別 「提取」 到陽極和陰極，然後與外部電路連接輸出電流。「提取」 動作不會自然發生，需要在光敏層的上下方設置與電子和空穴親和性高的材料，強行提取。



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  以富勒烯（C60）為首，有很多出色的電子傳輸材料，但空穴傳輸材料的選擇卻較少。「PEDOT：PSS」 雖然性能高，得到廣泛利用，但因其具備強酸性和吸濕性，會損壞活性層及電極等元件的很多部分，因此元件的壽命會明顯縮短。這是鈣鈦礦光伏電池存在的一個問題。

圖2：採用 「BDPSO」 作為空穴傳輸材料的鈣鈦礦光伏電池的電流-電壓曲線

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  forward 表示升壓時的電流-電壓曲線、reverse 表示降壓時的電流-電壓曲線。從圖中可以看出，此次製作的鈣鈦礦光伏電池的電流-電壓曲線沒有隨著電壓掃描（升壓／降壓）方向發生偏移，具備良好的工作特性。

圖3：鈣鈦礦光伏電池的穩定性試驗

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  採用（1）「BDPSO」 和（2）「PEDOT：PSS」 作為空穴傳輸層的太陽能電池（未封裝）在空氣中（濕度為40-50％）存放時的穩定性試驗



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  對採用（3）「BDPSO」 作為空穴傳輸層的太陽能電池（封裝、防紫外線）實施35℃持續陽光照射的穩定性試驗。

圖4：兩步合成「BDPSO」的方法

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  「BDPSO」 能利用市售的價格低廉的有機物以最短兩個步驟合成，而且可以通過重結晶輕鬆進行精鍊，因此有望作為低成本的空穴傳輸材料使用。照片上的是放置在空氣中的 「BDPSO」。

文/客觀日本編輯部

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