ペロブスカイト太陽電池の基礎（S05）【兵庫県立大・伊藤省吾×峯元】

ペロブスカイトの発見から、太陽電池への初の応用、急激な高効率化、劣化メカニズムと耐久性向上の可能性についてお話しします。
ペロブスカイトを用いた太陽電池は日本発であり、低温形成・フレキシブル化・超高効率化のみならず、カラフル化・シースルー化なども期待できる新型太陽電池です。ペロブスカイト太陽電池・電解水素発生・水素燃料電池がご専門の伊藤省吾さんと一緒に議論します。
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もくじ
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00:00　はじめの挨拶
00:25　シーズン５の前置き
02:55　ペロブスカイトの発見
03:25　半導体特性
05:50　太陽電池への応用の初め
05:50　ペロブスカイト太陽電池の一般的な作り方
09:05　第一話のまとめ
11:50　第二話の始まり
12:25　成長法（アンチソルベント）
14:50　材料の高純度化
16:05　元素のミックス（ハロゲン）
17:55　元素のミックス（カチオン）
20:05　表面パッシベーション
21:00　第二話のまとめ
21:35　第三話の始まり
24:15　光・水・TiO2
25:20　メチルアンモニウムイオンの解離
28:05　イオン拡散・結晶崩壊
31:40　第三話のまとめ
32:15 　第四話の始まり
32:40　結晶化の改善
34:00　2次元結晶
35:45　表面パッシベーション
37:25　多孔質カーボン電極
39:50　高耐久化デバイスの例
40:35　頑強な封止
42:15　第4話のまとめ
42:50　シーズン5の総まとめとメッセージ
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伊藤省吾さんのプロフィール
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www.eng.u-hyogo.ac.jp/group/gr...
www.scholars.co.jp/
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峯元のプロフィール・コンタクト
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■太陽光発電研究室・立命館大学
• 【学生・企業様向け：研究室紹介】立命館大／峯...
太陽電池セルの開発，モジュール評価など、お気軽にメールでご連絡ください
■スカラーズ株式会社
www.scholars.co.jp/
技術コンサル・データ解析・R&D支援全般など、お気軽にHP内のフォームからご連絡ください
あるいは、直接、[e-mail]までメールでご相談ください
■日本太陽光発電学会（理事）
www.j-pvs.jp/info/committee_m...
■米国スタンフォード大学とエルゼビア社による「世界のトップ2％の科学者」に選出（単年。2023年10月更新）
■研究者情報（research map）
researchmap.jp/read0210415/
■論文リスト（Google Scholar）
scholar.google.co.jp/scholar?...
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画像の出典
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本編背景　Photo by Tu Tram Pham on Unsplash
■コメントについて
この動画は、出演者自身の経験と適宜文献を参照して考察したものです。
ベストを尽くしているつもりですが，もっと新しい情報がある！こんな考え方もある！という方は是非コメント欄でお知らせください。情報・考えを共有したいと思います。
#ペロブスカイト　#太陽光発電　#太陽電池

[@kuma34]

非常に勉強になりました。ありがとうございます。

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

ありがとうございます。励みになります。

[@j20364kt]

研究的な情報大変勉強になります！地域脱炭素KZbinrをやってますが、是非KZbin対談などさせていただきたいようなコンテンツですね！

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

ありがとうございます！勝手に電力2.0様も視聴させていただいて、電力について非常に濃厚なコンテンツで、勉強になりました。

[@cygnus1101]

ペロブスカイト太陽電池を使った、美しくてカラフルな太陽光パネルのデザインをして販売したい・・・。

[@takeshi2730]

無限　エネルギーに近ずきましましたね

[@user-rg3qm9ch1n]

全く知識がないですが、すごく興味が湧きました。ありがとうございます。 質問ですがペロブスカイト太陽電池の生産において塗工メーカーが活きる工程はあるでしょうか。

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

コメントをありがとうございます。 ペロブスカイトは塗布で作製出来る事が大きな特徴です。電子輸送層、ペロブ層、正孔輸送層の各工程で、面内均一性良く、塗布環境(湿度、温度、気体の流れ)を制御する必要があると思いますので、塗工メーカー様の高い技術力が必要であると思います。

[@user-rg3qm9ch1n]

ご回答ありがとうございます！ もう一点ご教授いただけると幸いです。 ディスプレイに使われるフィルムに特殊な性能を持たせる塗工設備は活用の幅は拡がるでしょうか。 それとも、そんなにクリーン設備は必要ないものでしょうか。

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

クリーン度がどの程度ペロブスカイト太陽電池の歩留まりに影響するのかは明らかになっていないと思われますので、必要かどうかは今後の検討余地があるのではと思います。クリーンな設備が望ましいとしても、コストとの兼ね合いになるかと思います。

[@user-rg3qm9ch1n]

すごく参考になりました！ありがとうございました！

[@TT-xx3nw]

通常の太陽光パネルはポリシリコンが使われていて、ウイグル人の強制労働で採取されているとされています。これに関してはそのような可能性はないのでしょうか?

[@user-rv1fx2yj5k]

思わず見入ってしまいました。いくつか気になった点があります。 ①アンチソルベントのところで、スピンコートで成膜した後に貧溶媒を加えているように見受けられますが、どのように加えているのでしょうか？薄膜に均等になるようにでしょうか？塗布溶媒が揮発したタイミングで適当に貧溶媒を垂らしても綺麗な結晶ができるとは考えづらいです。 ②ハロゲンの割合を変えるとエネルギーギャップが変わるのはどのような原理でしょうか？ ③「結晶をリラックスさせる」という表現が聞かれましたが、エネルギー的に下がっていると思われますが、何のエネルギーでしょうか？ よろしくお願いします。

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

コメントをありがとうございます。以下のように考えています。 ①スピンコーティング中で塗布溶媒が揮発する前に、基板に均一に貧溶媒をドロップしています。こうすることで綺麗な結晶ができます。 ②ヨウ化物のバンドギャップと臭化物のバンドギャップがそれぞれ異なっていて、割合を変えるとおおむねその間のバンドギャップになります。横軸に元素比率を取ると弓なり（凹型）になるような材料もあります。バンドギャップは構成元素の相互作用で決定される（単純に言うと原子間距離に相関がある）ので、ハロゲン比率を100%ヨウ素から始まって、臭素に置き換えていくとすると、原子間の平均的な距離が連続的に変化するので、バンドギャップも連続的に変化します。 ③「リラックスさせる」というのは、結晶にストレスが入っているものが、ひずみのエネルギーが緩和するという意味で使っています。

[@user-rv1fx2yj5k]

ご回答ありがとうございます。 ①に関しては驚きでいっぱいです。回転させながらなので貧溶媒が均一に広がって、均一な綺麗な結晶ができるということですね。 ②は『バンドギャップは構成元素の相互作用で決定される（単純に言うと原子間距離に相関がある）』というのはどういうことでしょうか？初めて聞きました。 ③に関してはよくわかりました。ありがとうございました。

[@owata1942]

自分は最近ペロブスカイト太陽電池の研究を始めた学生なのですが、MAPbI3ペロブスカイト薄膜において一般にcubic,Tetragonal,orthorhombicのどのpheseが質が良いとされているのかが論文を探しても見つかりません。なのでもし知っていれば教えていただきたいです・・・見ている限りcubicがいいと思うのですが、明確に「cubicだからよい結晶ができた」というような文をのっけている論文が見当たらなく、少し困っています。こんなところで聞くものではないと思っていますが無知な学生に何かご教授願えないでしょうか・・・

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

とにかく安定なのはＰｂＩ２（六方晶系結）です． その隙間に無理に一価のカチオン（MA+, FA+, Cs+など）を入れて、強引にCubicになっております．つまり，ペロブスカイト構造自体が不安定です．温度が超低温になると，オーソロンビックに成ったりするようです（記憶では）．その温度で安定な状態になろうとするので，その温度に合わせて少し変化した結晶構造になります．発電に寄与できるのはCubicですが，どれも安定ではありません．(伊藤先生より)

[@owata1942]

@@PVU-photovoltaicsuniversity ​ お忙しい中ご丁寧な返答誠にありがとうございます、勉強になりました。

[@user-yt8tv1vc1h]

ペロブスカイト太陽電池に関して60分以下とコンパクトにまとめられており、大変参考になりました。ペロブスカイト太陽電池の研究歴が浅い全ての方に視聴して頂きたいです。 　耐久性向上に関して質問があります。 　①多孔質カーボン電極の紹介で封止なしとありますが、水分等がある大気雰囲気でも1000時間の耐久性があるのでしょうか？もしそうであるなら、光＋水＋TiO2が存在するのにどのような原理で耐久性が向上したのでしょうか？　 　②電界によるイオン拡散・結晶崩壊に関してはどのような対策があるのでしょうか？不純物添加によるストレス緩和がこの対策にあたるのでしょうか？

[@PVU-photovoltaicsuniversity]

コメントをありがとうございます。 伊藤省吾先生からご回答をいただきましたので、以下に記します。 ＊＊＊ ① 多孔質カーボン電極に関しては，水分等がある大気雰囲気でも1000時間の耐久性 があります．その理由の一つ目には，ペロブスカイト結晶を含んだ多孔質カーボ ンが良い水分のブロッキング材料になっております．二つ目には，兵庫県立大学 が新しい知見をこの度得ましたので，最新データをまとめているところです．楽 しみにしておいて下さい， ② 電界によるイオン拡散・結晶崩壊の対策は非常に困難です．これに関しては，2 次元（2-D）ペロブスカイト結晶を上手に使うという対策が考えられます．2-Dペ ロブスカイト結晶の研究進展はすさまじい状態です．新たな発見の報告が日々表 れております． ＊＊＊

[@user-yt8tv1vc1h]

@@PVU-photovoltaicsuniversity お忙しいところ、丁寧な回答をして頂きありがとうございます。大変助かりました。 ①に関する論文を楽しみにしております。

[@moon3817]

この電池が本格的に実用化されたら、化石燃料で食べている国々はキツいだろうな。 エネルギー変換効率15.1%のフィルム型ペロブスカイト太陽電池を、東京都23区内の建物の屋上および壁面の一部に設置しただけでも、原子力発電所2基分（東京都23区の家庭内年間消費電力量の2/3相当）の発電が見込めるものとなるため、世界各国でこの電池が街中の様々な建物に設置されたら、それだけで十分な消費電力量を確保できることになってしまうため。当然ながら、エネルギー変換効率は今後更に高く改善されるだろうし。

[@yukiharu-happy]

結局は充電出来ないから電力会社が困ってるんでしょ？