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中間バンド型太陽電池を世界ではじめて液相法により作製することに成功 ~産学連携共同研究により,高エネルギー変換効率期待の太陽電池作製技術を開発~

 花王株式会社,東京大学,及び九州工業大学は2019年1月10日,花王株式会社マテリアルサイエンス研究所,東京大学先端科学技術研究センター 岡田至崇教授ら,及び九州工業大学大学院生命体工学研究科 早瀬修二教授らの共同研究グループが,高エネルギー変換効率の期待される中間バンド型太陽電池を,世界ではじめて液相法により作製する技術開発に成功したと発表した.本研究の一部は,文部科学省委託事業ナノテクノロジープラットフォームの支援を受け,詳細は英国科学誌Nature Communicationsに掲載された(注).

 持続可能な社会の実現を目指し,再生可能エネルギーの開発・活用が進められている.これを先導した太陽電池は,すでに電力供給の一端を担うようになった.しかし実用化されている太陽電池では半導体のバンドギャップ(BG)以下のエネルギーの光は損失になってしまうため,エネルギー変換効率が限られる,これに対し,BGの中に中間バンド(IB)を設ければ,これを介した低いエネルギーの光の2段階光吸収により高効率化が期待できる.IBは,直径数十nmのナノ構造である量子ドット(QD)を高密度にバルク半導体中に埋め込んで形成できるが,従来の気相法(有機金属化学蒸着MOCVDなど)によるQD形成では,格子歪みなどのためQDを高密度充填したナノ構造体の作成が難しく,高効率化が実現していなかった.

 これに対し,研究グループは,「液中におけるナノ界面・分散・結晶制御技術」を駆使し,高いエネルギー変換効率が期待される中間バンド型太陽電池の「液相法」作製の技術開発に成功した.バルク半導体にペロブスカイト(臭化鉛メチルアンモニウムCH3NH3PbBr3),IBを形成するQDに硫化鉛(PbS)を選ぶと,ペロブスカイトにおける2.3eVのバンド端吸収は,IBにより1.5eVと0.8eVの2段階吸収になる.QD面密度が気相法最大の1×1012cm-2以上になるよう,PbS QDのバルク半導体中の体積密度は11%以上とする.この条件で,まずPbS QDの表面にヨウ化物イオンを配位させ,ペロブスカイト前駆体(メチルアミン臭化水素塩,臭化鉛)のN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)溶液にQDをナノレベルで分散,安定させたコート液を調製した.次に,このコート液をスピンコート(液相法)して,ナノ構造体を基板上に結晶成長させ,太陽電池を作成した.X線回折でペロブスカイトとPbSの結晶格子が確認され,走査電子顕微鏡(SEM)観察で厚さ100~200nmのペロブスカイト層の中に3~15nmの球状PbS QDが一様に分散していることが確かめられた.QD濃度が増しても2.3eVの光吸収は変化せず,一方1.0eVのPbS QD光電子発光(PL)ピークが現れて増大して行く.太陽電池の変換効率は2.3eV帯で減少し,1.0eV帯で増加する.さらに,赤外バイアス光を用いて測定した分光変換効率を解析し,中間バンド型太陽電池として機能していることを確認した.

 研究グループは本成果が,安価・軽量・フレキシブルな高エネルギー変換効率太陽電池の研究開発を加速し,持続可能社会の早期実現に貢献することを期待している.

(注) Hiroji Hosokawa, Ryo Tamaki, Takuya Sawada, Akinori Okonogi, Haruyuki Sato, Yuhei Ogomi, Shuzi Hayase, Yoshitaka Okada & Toshihiro Yano, "Solution-processed intermediate-band solar cells with lead sulfide quantum dots and lead halide perovskites", Nature Communications, Vol. 10,  Article number: 43 (2019), DOI:10.1038/s41467-018-07655-3; Published 10 January 2019