[論文レビュー] Ultra-stable 2D/3D hybrid perovskite photovoltaic module

Giulia Grancini, Cristina Roldán‐Carmona+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Perovskite Materials and Applications参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、酸化物基板上にアンカーリングされた2次元（HOOC(CH2)2NH3)2PbI4層を有する超安定な2次元/3次元ハイブリッドペロブスカイト太陽電池モジュールを提案する。この2次元層は、室温で高秩序な3次元CH3NH3PbI3ペロブスカイトの正交晶相の成長を触媒する。得られた10×10 cm²モジュールは11.2%の発電変換効率を達成し、大気条件下で5,000時間の運転後も性能劣化を示さない、顕著な安定性を示した。

ABSTRACT

Hybrid perovskite solar cells, with their power conversion efficiency (PCE) exceeding 22%, have been representing a revolutionary concept for future energy power generation. Although listed among the Top 10 Emerging Technologies of 2016, device longevity is the actual bottleneck for their real uptake in the market. Here we design an ultra-stable molecular junction of two/three dimensional (2D/3D) perovskites. It consists of a 2D (HOOC(CH2)2NH3)2PbI4, anchored at the oxide substrate, that templates the growth of a highly ordered 3D CH3NH3PbI3 perovskite stabilizing in the orthorhombic phase, even at room temperature. The unique and exceptional 2D/3D structure yields 14.6% PCE in solar cells with Spiro-OMeTAD and Au, and 12.9% PCE in hole-conductor free architecture. Aiming at the up-scaling of this technology, we realize 10x10 cm2 large-area photovoltaic modules by a low-cost, fully printable, industrial-scale process delivering 11.2% PCE. We demonstrate a record stability in the PCE of 5,000 hours, setting the direction for the new generation of carbon free energy.

研究の動機と目的

• 高い発電変換効率を示すが、長期的な安定性の欠如が商業的実用化を制限するペロブスカイト太陽電池の根本的課題に取り組むこと。
• 室温で不安定なペロブスカイト相を安定化する分子ヘテロ構造を開発すること。
• 産業用に適合する印刷技術を用いた大面積ペロブスカイトモジュールのスケーラブルで低コストな製造を可能にすること。
• 完全に印刷可能な、炭素を含まない光電デバイスで高い効率と顕著な運用安定性を達成すること。

提案手法

• 酸化物基板上に2次元ペロブスカイト層（HOOC(CH2)2NH3)2PbI4）を堆積させ、3次元ペロブスカイト成長の核形成触媒として機能させる。
• 2次元層は、室温で3次元CH3NH3PbI3ペロブスカイトを正交晶相に安定化させ、黄色のδ相への相転移を防ぐ。
• 大面積（10×10 cm²）の光電池モジュールを、産業スケール生産に適合する完全に印刷可能な低コストプロセスで作製する。
• スパイロ-OMeTADベースおよびホールキャリアフリーのデバイス構造を用い、異なる構成での性能を評価する。
• 長期間の運用耐久性を評価するため、大気条件下で5,000時間にわたる安定性を評価する。
• 小面積セルおよび大面積モジュールの両方について、標準AM 1.5G照明下での発電変換効率（PCE）を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元/3次元ヘテロ構造は、室温で3次元ペロブスカイト相を正交晶相に安定化させることができるか？
• RQ2 本2次元/3次元構造を用いた完全に印刷可能な大面積ペロブスカイトモジュールで達成可能な最大発電変換効率は何か？
• RQ3 2次元被覆層は、大気条件下での長期的安定性をどのように向上させるか？
• RQ4 封止処理や炭素系電極を用いない状態でも、デバイスは5,000時間の運転後も高い性能を維持できるか？
• RQ5 本構造は産業スケールの印刷技術を用いてどれほどスケーラブルに実装可能か？

主な発見

• 2次元/3次元ハイブリッド構造は、室温で3次元CH3NH3PbI3ペロブスカイトを正交晶相に安定化させ、非ペロブスカイト相δ相への劣化を防ぐことに成功した。
• スパイロ-OMeTADおよび金電極を用いた小面積セルは14.6%の発電変換効率を達成した。
• 同じ2次元/3次元構造を用いたホールキャリアフリーのデバイスは12.9%のPCEに達し、低コスト構造との相性が良好であることを示した。
• 完全に印刷可能な10×10 cm²の光電池モジュールは、産業スケールのプロセス技術を用いて11.2%のPCEを達成した。
• モジュールは大気条件下で5,000時間の運転後も、発電変換効率に測定可能な劣化を示さず、安定性の新基準を確立した。
• 2次元層は保護的界面として機能し、イオン移動および相分離を低減することで、安定性を顕著に向上させた。