効率性以外に、安定性はペロブスカイト PV とその実用化において長年の懸案事項でした。現在まで、太陽光発電用の安定した材料やそれに関するデータは不十分であり、研究者はより深い洞察を得るためにさまざまな材料を試しています。この研究では、太陽光発電用途向けの超安定性と効率性に優れたディオン・ジェイコブソン ペロブスカイト太陽電池がテストされています。
研究チームは、ディオン・ジェイコブソン（DJ）ペロブスカイトを用いた拡張可能な技術でブレードコーティング太陽電池の設計に成功し、様々な環境条件下で約19.11%の電力変換効率を達成した。
研究目的：DJ材料の安定性における主要因について体系的な研究を行うこと。安定性と効率性に優れたスケーラブルな太陽電池を実現するための、安定したDJペロブスカイトの設計指針を見出すこと。
超安定かつ高効率なディオン・ジェイコブソンペロブスカイト太陽電池の性能
2Dペロブスカイトは、その望ましい光物理的特性と固有の構造特性から、3Dペロブスカイトよりも好まれてきました。二座ジアモニウムカチオンを有するDJ型ペロブスカイトは、無機層間の結合を強化し、構造の剛性を高めます。これにより、安定性がさらに向上します。ラドルスデン・ポッパー（RP）型ペロブスカイトとディオン・ジェイコブソン（DJ）型ペロブスカイトに関する様々な研究から、後者は大気環境下では安定性が低いことが示されています。
例えば、1,4-フェニレンジメタンアンモニウムおよびm-フェニレンジアンモニウムをベースとしたDJペロブスカイトでは、数時間以内に低い耐湿性が観察された。
構造解析によると、これらの材料は独自の層間変位型量子井戸構造を有しており、他のDJペロブスカイトとは一線を画している。これにより、層間距離が短縮され、層間における電荷輸送と構造的完全性が最適化される。
層間カチオンとしてシクロアルキル有機カチオンを用いると、分子の電気陰性度と柔軟性が維持される。また、アルキル鎖やアリール有機カチオンよりも有利である。この方法では格子応力が効果的に最小限に抑えられ、最終的に構造全体の安定性が向上する。
ハイライト
- 安定的かつ効率的な太陽電池用の新しいシリーズの DJ (CDMA 1, 4-シクロヘキサンジメタンアンモニウム、n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 の導入。
- これらの非カプセル化セルは、相対湿度 (RH) 約 92% の老化条件下で 4000 時間以上にわたって 90% の効率を維持しました。
- これらのセルは動作安定性と 85° C の熱安定性を示します。
- 5000 時間の処理後も効率は低下しません。
- 連続光（45 mW cm-6000）下で 100° C 最大電力点（MPPT）で 2 時間以上動作した後でも効率の低下はありません。
研究のプロセス
スケーラブルなブレードコーティング堆積技術を使用して、大規模太陽電池における DJ ペロブスカイトの可能性を実証しました。基準太陽電池では、公称 n = 5 PDMA DJ ペロブスカイトを使用しました。これらはデバイスの安定性を高めることで知られており、同様の有機分子構成を持っています。
| 細胞の特性 | 参照デバイス | 公称デバイス n = 5 CDMAベースのペロブスカイト太陽電池 |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| 開放電圧（VOC） | 1.06V | 1.16V |
| 短絡電流密度（JSC） | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| 曲線因子 | 76.46% | 80.56% |
研究者らによると、ブレードコーティングされた2Dペロブスカイトの中で最も高い効率を示すのはCDMAのPCEである。以下の図は、DJ太陽電池の電流密度-電圧（JV）曲線を示す。
研究者らは、EQEを用いてデバイスの短絡電流密度（JSC）を測定した。PDMAデバイスはCDMAよりもEQEが低い。可視光吸収領域において、PDMAのJSCは17.57 mA cm⁻²、CDMAは19.58 mA cm⁻²であった。これらの値は、太陽光刺激装置下で測定されたJSCと一致した。
さまざまな条件下での太陽電池の安定性
さらに、研究者らは熱、光ストレス、湿気の下でのこれらの細胞の安定性を研究した。
軽いストレス
動作安定性は、窒素雰囲気グローブボックス内で、シミュレートされた 1 太陽白色 LED (発光ダイオード) の下で MPPT トラッキングを使用してチェックされました。テストは 45° C 付近で 6000 時間以上継続されましたが、低下傾向は見られませんでした。
- PDMA – PCEが約30%削減されました。
- CDMA – 初期の効率を中心に若干の変動があります。
熱
太陽電池の熱安定性は 85° C のホットプレート上で確認されました。
- PDMA – 初期効率が 50% 低下します。
- CDMA – 5000 時間経過後でも効率は無視できるほど低い。
これにより、CDMA ペロブスカイト セルの優れた耐熱性が証明されます。
水分
カプセル化されていない太陽電池は、約 90° C で約 22% RH の一定温度湿度のチャンバー内に保管されました。これにより、両方のデバイスに次の影響が生じます。
- PDMA – 500 時間の経年劣化後、PCE が急速にゼロに減少します。
- CDMA – 92 時間のエージング後も約 4394% の初期効率を示します。
古くなったデバイスを比較すると、PDMA ベースのデバイスのアクティブ層は無色になっているのに対し、CDMA ベースのデバイスには目に見える変色が見られません。これは、CDMA DJ ペロブスカイトが湿度耐性が高いことを示しています。以下に示す統合画像によると、研究者によると、CDMA シリーズは 2D ペロブスカイト太陽電池と 3D ペロブスカイト太陽電池の中で最高です。
蘇州大学の研究者たちは、有機太陽電池の効率を戦略的に向上させている。
デバイスの特性
デバイスの特性
次の図は、計算されたヒステリシス係数の統計分布を示しています。これは、PDMA および CDMA 太陽電池の PCE から測定されました。これは、CDMA の分布ヒステリシスが比較的低く安定していることを示しており、実際の用途向けに安定したスケーラブルな太陽電池を製造するのに役立ちます。
ペロブスカイト膜の特性
研究者らは、上面走査型電子顕微鏡（SEM）を使用してペロブスカイト膜の形態を研究した。
観察結果によると、PDMAペロブスカイト膜では均一な結晶粒分布が見られました。一方、CDMAでは結晶粒径が著しく拡大しており、対応する結晶粒界を覆う小さな2次元ウェーハがいくつか存在していました。これは、安定性を確保するための界面の自己不動態化に関係していると考えられます。さらに、この構造は、ブレードコーティングの紫外可視（UV-Vis）吸収スペクトルおよびX線回折（XRD）測定を可能にするのに役立ちます。
CDMAフィルムは、回折ピークの強度が強くなるとともに、半値全幅（FWHM）が比較的狭くなっています。これは、シェラーの式によれば、結晶性の向上と結晶粒径の増大を示唆しています。
UV-Vis 吸収スペクトルによると、両方の DJ ペロブスカイト フィルムは 2D 位相分布を持っています。ただし、CDMA は強度が高く、短波吸収とフィルムの安定性に有益な豊富な 2D 位相分布を示しています。
斜入射広角 X 線散乱 (GIWAXS) 観測により、CDMA は比較的強くて離散的なブラッグ スポットを持つことがわかります。これは、電荷輸送に有利な結晶化が優れていることを示しています。
香港科技大学の研究者による研究で、凹みを除去することでペロブスカイト膜の安定性が向上することが明らかになった。
ひずみと安定性の特性評価 DJペロブスカイトフィルム
研究者らは、TA特性評価で示された相分布に従って、両方のデバイスの残留歪みを調査するために2つの深さを選択した。材料では、3Dのような相で特徴付けられる表面領域と、より深い領域での2Dペロブスカイトの高濃度が観察された。下の画像によると、PDMAペロブスカイト膜の斜入射X線回折（GIXRD）は310結晶面に関連していた。
Ψ（0°から45°）の増加に伴い、回折ピークは右方向にシフトした。これは、結晶面間隔が徐々に減少していること、および膜に圧縮歪みが生じていることを示している。
2Dペロブスカイトが豊富な領域では、PDMAフィルムは左方向へのシフトに続いてΨ値の増加を示した。変化の傾向において、線形近似の方向からわずかにずれが見られた。これは、2Dペロブスカイト相の分布が不均一であることを示唆しており、デバイスの安定性と性能に悪影響を及ぼす。一方、CDMAフィルムでは、両領域においてΨ値の増加に伴う変位はごくわずかであった。
ウィリアムソン・ホール プロットで残留ひずみを計算後、結果は一致しました。これは、DJ ペロブスカイトにはほとんど残留ひずみがなく、この特性がその安定性に貢献していることを示唆しています。
1か月間保存した後、フィルムの黒色相は完全に変化し、広帯域ギャップ相に分解した。一方、CDMAフィルムでは、100日間保存した後でも、不純物回折ピークのない顕著な耐湿性が認められた。
さらに、フィルム表面の水接触角を測定することで、フィルムの耐水性を調べた。CDMAは大きな水接触角（51°）を示し、PDMAはより小さな角度（41°）を示した。これは、CDMAペロブスカイトフィルムの高い耐水性を示している。下の画像に示す動的接触角曲線は、CDMAペロブスカイトフィルムの優れた耐水性を裏付けている。
結論
その結果、研究者らは、柔軟な有機カチオンを層間置換に組み込むことで、DJ ペロブスカイト構成の構造安定性を向上できることを発見しました。これに基づいて、研究者らは一連の層間置換 DJ ペロブスカイトを設計しました。さらに、この材料をブレードコーティングプロセスに適用しました。これにより、より高い効率と安定性が達成されました。さらに、経年劣化テストでは、デバイスの劣化も最小限に抑えられました。
全体として、研究者らは、新しく開発されたシリーズには、さまざまな用途に使用できる安定した 2D ペロブスカイトを構築する可能性があると結論付けています。
