ペロブスカイト太陽電池の効率・耐久性を高める技術と解析手法

ペロブスカイト太陽電池とは、色素増感太陽電池の色素を、結晶構造を持つ鉱物（ペロブスカイト）に置き換えたものです。
シリコン系や化合物系の太陽電池では発電が難しい曇りや雨の日などの弱い光や蛍光灯の光でも発電効率が大きく減少しないため、薄くて軽いフィルム形状で十分に太陽電池として機能させることができます。
柔軟性を持たせることも可能なため、例えば建物の外壁や窓、EVの外装部分や農業ハウスなどに広く設置することが可能で、次世代の太陽電池として注目を集めています。

本ページでは、ペロブスカイト太陽電池の課題について解説するほか、当社の設計・解析事例、ソフトウェア活用事例もご紹介することで、設計者の皆さまの課題解決をサポートします。ぜひ最後までご覧ください。

ペロブスカイト太陽電池には、セル構造としてプレーナー型とメソポーラス型があります。
研究開発初期は、ペロブスカイト材料をDSSC（色素増感太陽電池）の構造に適用していたこと、電荷分離が容易で変換効率が高めやすかったことから、電子輸送層に多孔質TiO₂を使用したメソポーラス構造が主流でした。しかし研究が進み、全層を平坦に積層したプレーナー構造でも高効率が実現できるようになってきたことから、現在はシンプル工程で低コストに製造でき、大面積化にも適用できるプレーナー構造への移行が急速に進んでいます。

これらの課題は、太陽電池の光学・電気シミュレーションソフトウェア「Setfos」を用いて、一気通貫的に解析することが可能です。設計段階でしっかりとシミュレーションを行っておくことで、その後の設計変更や手戻りが減り、結果的に開発期間を短縮することができます。

高温環境も劣化の大きな要因です。温度が上昇すると結晶構造が崩れ、発電効率が低下します。特に屋外使用時の夏場の高温が大きな課題となります。
無機ペロブスカイトなど、熱に強い材料を採用したり、酸化スズなど耐熱性のある電子輸送層・正孔輸送層を使うことで、熱による劣化を抑制することができます。

ペロブスカイト材料は紫外線にさらされると化学変化を起こしやすく、時間とともに変質して性能が低下するため、長時間の屋外使用が難しい現状があります。紫外線吸収層を追加して、紫外線がペロブスカイト層に到達しないようにする研究も行われています。

劣化の時間変化は、ペロブスカイト太陽電池デバイスの素子寿命評価ツール「Litos Lite」で測定でき、劣化前後のデバイスを有機EL・太陽電池デバイスの電気・光学特性測定器「Paios」を用いて測定して、素子の物性パラメータを解析することで、劣化原因を解析することが可能です。実物がない場合はシミュレーションソフトの「Setfos」で解析することで物性パラメータ設計の方向性を定めることが可能です。

ここでは、実際にシミュレーションソフトウェア・計測ツールを用いて、ペロブスカイト太陽電池の効率向上・耐久性向上を目指した事例の過去セミナー動画、ダウンロード資料をご覧いただけます。すべて無料で閲覧可能ですので、ぜひ一度ご確認ください。

本セミナーでは、有機薄膜およびペロブスカイト太陽電池の性能向上に関する解析事例を紹介しています。特に、デバイスの効率向上に向けたシミュレーション・特性評価技術や、電荷輸送メカニズムの解析、安定性向上に向けた研究を取り上げ、後半では解析・測定ソフトを使った研究論文の要旨をご紹介しています。（動画時間 30:05）

本事例では、有機EL・太陽電池シミュレータ Setfos を用いて、ペロブスカイト太陽電池の実験データを再現するためのモデリング手法をご紹介します。電気・光学特性測定装置 Paios により測定された電流密度–電圧(J–V)特性、容量–周波数(C–f)特性、およびインピーダンス特性に対してモデルをフィッティングすることで、デバイスの光電的応答を高精度に再現可能なモデルを構築する手法を解説します。

本事例では、電気・光学特性測定装置 Paios を用いて、ペロブスカイト太陽電池の電気特性を測定・解析した研究事例をご紹介します。本研究では、スズ系ペロブスカイト中のホルムアミジニウムヨウ化物(FAI)の一部をジメチルアンモニウムヨウ化物(DMAI)に置換したデバイスを対象に、Mott–Schottky解析、インピーダンス分光(EIS)、開回路電圧減衰の測定・解析を行いました。これにより、電荷再結合挙動やキャリア寿命、さらには開放電圧(Voc)低下の抑制要因を電気的に評価した事例をご紹介します。

以下ページにて、当社で取り扱っている光学解析ソフトウェア・測定器のうち、太陽電池設計に適した製品をご紹介しています。