Ultra-Low-Cost Perovskite Solar Cells based on Printed Inorganic Nanoporous Electrodes

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まず、ソルボサーマル合成法によって20 nmの酸化ニッケル(NiO)ナノ粒子を合成し、多孔質NiOペーストおよび5-50 wt.%のNiOを添加したカーボンペーストを作製した。NiOペーストおよびNiO添加カーボン電極を多層多孔質型ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送層および背面電極に適用した。NiO層のみを適用した場合、正孔輸送能力が大幅に向上し、特にデバイスの短絡電流密度が向上することがわかった。一方で、NiO添加カーボン電極のみを適用した場合、特にデバイスの開放電圧が向上することがわかった。このように、NiOを異なる形でデバイスに適用することで、それぞれ異なるデバイス特性を引き上げることができた。この研究結果を元に、NiO層およびNiO添加カーボン電極の両方を同時に適用した太陽電池デバイスを作製したところ、NiOなしの13.02%から、NiOありで15.2%まで光電変換効率を向上させることができた。この数値は、本太陽電池の中でも世界トップクラスの効率である。上記の結果について、デバイス性能向上と材料特性の相関性を調べるために、シンクロトロン軟X線をはじめとする種々の材料物性分析を行った。軟X線を用いた価電子帯評価の結果、NiOを10 wt.%追加したカーボン電極の状態密度が変化していることが明らかとなった。これは、NiO粒子が炭素上に存在することで、電子摂動が生じたことを示唆しており、金属酸化物と炭素を混合することで、目的のエネルギーレベルの電極材料が得られる可能性を示しており、この影響でデバイスの開放電圧が向上したと考えられる。多層多孔質型ペロブスカイト太陽電池は、炭素電極を使用することによる低い電圧がネックであったが、これらの材料・デバイス設計によってこの短所を克服できることを示すことができた。