光学的手法を用いたペロブスカイト太陽電池中の電荷輸送機構解明と高効率化への挑戦

使用光学方法阐明钙钛矿太阳能电池中的电荷传输机制以及提高效率的挑战

基本信息

批准号：
17J09650
负责人：
半田岳人
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、レーザー分光を駆使したハロゲン化金属ペロブスカイト半導体および太陽電池構造中のキャリア挙動の解明とその理解に基づく光電特性向上への指針を示すことを目的としている。本年度は、これまでに開発した分光システムを用いて、非鉛太陽電池材料として期待される錫ペロブスカイト半導体中のエネルギー損失機構を評価した。錫ペロブスカイト薄膜および太陽電池試料の発光寿命の励起レーザー強度依存性を計測すると同時に、太陽電池試料からの光電流値を測定した。この測定と解析の結果、錫ペロブスカイト太陽電池では、ペロブスカイト層内で速いバルク非輻射再結合が生じ、これがデバイス内のキャリアダイナミクスを支配することを明らかにした。非鉛錫ペロブスカイト太陽電池の更なる高効率化に向けて、正孔密度の抑制によるキャリア拡散長の増加と光吸収層厚の適切な制御が不可欠であることを示した。次に、昨年度発見したハロゲン化鉛ペロブスカイトにおける特徴的な光誘起屈折率変化の起源を解明した。独自に構築した高精度光干渉計を用いることで、光励起によりCH3NH3PbCl3の屈折率が減少することを明らかにした。独立な測定から屈折率の温度依存性を決定し、この物質が温度上昇に伴う屈折率の減少すなわち負の熱光学係数を示すことを発見した。負で大きな熱光学係数と小さな熱伝導率が光誘起屈折率減少をもたらすことを解明した。精密な屈折率変化量の決定と実験条件から、太陽光程度の励起条件下での熱光学効果はペロブスカイト太陽電池の光電変換効率にはほとんど影響を与えないと見積もった。さらに、負の熱光学係数が従来の無機半導体が示す正の係数と逆であることに着目し、ペロブスカイト半導体を用いることにより無機半導体中で温度変化に伴い生じてしまう光路長変化を補償することに成功した。特徴的な熱光学特性を活用したハロゲン化金属ペロブスカイトの新しい光機能を実証した。

这项研究旨在阐明使用激光光谱法中金属卤化物钙钛矿半导体和太阳能电池结构中的载流子行为，并提供基于理解这些指南来改善光电特性。今年，我们使用光谱系统迄今为止开发的光谱系统评估了钙钛矿半导体中的能量损失机理，该机制预计将是一种无铅的太阳能电池材料。测量了锡钙钛矿薄膜和太阳能电池样品对激发激光强度的激发激光强度的依赖性，并测量了来自太阳能电池样品的光电流值。该测量和分析表明，在锡钙钛矿太阳能电池中，快速散装非放射性重组发生在钙钛矿层中，该层控制了设备内的载体动力学。已经表明，通过抑制孔密度并适当控制光吸收层厚度，增加载体扩散长度对于进一步提高铅非铅锡perovskite太阳能电池的效率至关重要。接下来，我们阐明了去年发现的铅卤化物钙钛矿中特征性光诱导的折射率变化的起源。通过使用独特的高精度光学干涉仪，可以发现CH3NH3PBCL3的折射率由于光激发而降低。折射率的温度依赖性是由独立测量确定的，发现该材料表现出折射率降低或随着温度升高的负热光学系数。已经发现，较大的负热振荡系数和较小的导热率导致光诱导的折射率减少。基于对折射率变化和实验条件的精确确定，据估计，在激发条件下（例如阳光水平）的热光效应对钙钛矿太阳能电池的光电转换效率几乎没有影响。此外，通过使用钙钛矿半导体，侧重于负热光学系数与常规无机半导体所显示的正系数逆，它成功地补偿了由于温度变化而导致无机半导体发生的光路长度的变化。我们证明了金属卤化物钙钛矿的新光学功能，该光功能利用其独特的热光特性。