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）

本資料では、ペロブスカイト太陽電池の劣化メカニズムについて解析しています。異なる温度に晒されたペロブスカイト太陽電池について、測定器「Litos」と「Paios」を用いて劣化の進行をモニタリングし、温度変化によるペロブスカイト層の材料特性変化を分析しました。​その結果、高温環境下ではペロブスカイト層の構造変化が主な劣化要因であり、室温での劣化については移動イオン密度の増加がデバイスの性能低下と強い相関があることが示されました。

この事例では、ペロブスカイト/シリコンタンデム太陽電池において、寿命や効率に直結する要素をシミュレーションソフトウェアSetfosを用いて解析しています。 太陽光を効率よく電気に変えるための「電流マッチング」や、劣化の原因となる「ヒステリシス現象」への対応方法に焦点を当て、移動イオンの再分布がデバイス性能に与える影響や、逆バイアス劣化のメカニズムについて詳しく解説されています。 

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。