image: Atomic Force Microscopy images show pinholes in the spiro-MeOTAD when it is first prepared (top) and after air exposure for 24 hours (bottom). The average diameter of the pinholes is about 135 nanometers, with some as large as two microns. view more
Credit: OIST
今、世界の研究者たちが熱心に取り組んでいる新しいタイプの太陽電池の開発には一つ課題があるといえます。それは、最上層に針の穴ほどの小さなピンホールが多数存在するという点です。このたび、沖縄科学技術大学院大学（OIST）の研究者たちがこの問題を発見しました。
この新しいタイプの高性能太陽電池のうち、盛んに研究されているのは、ペロブスカイトとspiro-MeOTADという材料の組み合わせです。この太陽電池は、従来のシリコン系電池より大幅に安く、その効率も過去数年間で著しく向上していますが、太陽光を電気に変換するペロブスカイトは容易に劣化します。
OISTの研究グループは劣化問題の主犯となりうる原因を見つけたと考えています。
spiro-MeOTAD層に見つかったピンホールは、光学顕微鏡でも見えないほど小さいものですが、空気中の水分やその他のガス分子が容易に通過でき、薄膜を通して拡散させ、ペロブスカイトを劣化させている可能性があります。
ピンホールを発見したOIST学生のザファー・ハワッシュは「太陽電池の寿命の短命化は、このピンホールに大きな原因があると言えるのかもしれません」と話しています。本研究はChemistry of Materials誌に発表されました。
ハワッシュは空気中の水、酸素、窒素などの独立成分とspiro-MeOTADとの相互作用の解析を行っていたときにピンホールに気づきました。当初はあまり重要なことではないと考えていましたが、詳しく調べ始めてみるとこれに関する科学文献がないということが分かりました。
OISTエネルギー材料と表面科学ユニットで研究を行っているハワッシュは「実際、このことについて言及している人は誰もいませんでした。この問題を科学論文というかたちで報告してピンホールの存在を知らせることは重要であり、ピンホールを除去して長寿命化を目指さなければと考えるようになりました」と語っています。
ピンホールはspiro-MeOTAD層の作り方に起因すると考えられます。通常は基板上にスピンコート法で、髪の毛の直径の数分の一という薄い層を形成させます。同ユニットのグループリーダーで論文の共著者でもある大野勝也博士によれば、真空蒸着法でピンホールのない膜を作ることはできますが、この場合実用化にはややコストがつくという問題があるといいます。
OISTの同チームでは、低コストを維持しつつピンホールの形成を避ける方法として、たとえば、組成や作製法の微調整、他成分の添加などを検討しています。
エネルギー材料と表面科学ユニットを率いるヤビン・チー准教授は「現在、ピンホール問題を解決すべく力を注いでいます」と話しました。
本発見は、チー准教授の研究室で進行中の、ペロブスカイト太陽電池を長寿命化させ、低コストの太陽光発電を開発するための研究から生まれたものです。
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Journal
Chemistry of Materials