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1 平成 28 年度第 1 回 NEDO TSC Foresight セミナー平成 28 年 6 月 27 日ペロブスカイト太陽電池の最新技術開発動向東京大学瀬川浩司 NEDO PV Challenges 2. 革新的新構造太陽電池の研究開発 b) 革新的低製造コスト太陽電池の研究開発 モジュール変換効率 : 20% モジュール製造コスト: 15 円 /Wを実現 ペロブスカイト太陽電池 Au Spiro-OMeTAD CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x TiO 2 dense layer 300 nm 350 nm 50 nm FTO/glass

2 陽電池Ⅲ-VI 族太低コスト太陽電池としてのハイブリッド太陽電池 シリコン系 結晶系 単結晶多結晶微結晶 半導体 pn 接合太陽電池 非 pn 接合型の太陽電池 アモルファス n 型 pn 接合 p 型シリコンシリコン 色素増感太陽電池 有機薄膜太陽電池 Ⅱ-V 族 CdTe 電子 化合物半導体系 Ⅰ Ⅲ Ⅵ 族 I - 正孔 CuInSe 2 電子 正孔 I 3 - GaAs Ru 色素 Pt 有機系太陽電池 有機薄膜太陽電池色素増感太陽電池 電解液封止 無機半導体安定ナノ構造で集電 耐紫外線 熱 効率低 完全固体塗布製造 ハイブリッド太陽電池

3 2009~14 年 FIRST 低炭素社会に資する有機系太陽電池の研究開発

4 有機金属ハライドペロブスカイトの優れた特性 : 電子と正孔の有効質量はシリコンと同等 CH 3 NH 3 PbI 3 has ambipolar character (n and p type conductor) G. Giorgi, J. Fujisawa, H. Segawa, K. Yamashita J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, , DOI: /jz CB の電子 At DFT+SOC m e *=0.228m 0 m h *=0.293 m 0 CB,VB は s 軌道と p 軌道からなる CB: Pb 6p +I 5s electron VB:Pb 6s +I 5p hole Good separaton of pathway VB の正孔

5 ペロブスカイト太陽電池 変換効率の向上予想 Jsc: 27 ma/cm 2 以上 Voc: 1.2 V 以上 25.2% FF : 0.78 以上 Jsc: 36m A/cm 2 以上 Voc: 0.9 V 以上 25.2% FF : 0.78 以上 タンデム構造を使った場合 トップセル 25.2% ボトムセル 6.8% でも 集光せずに 32% が達成できる (2014 年 5 月の Science 誌 News & Analysis 欄 ) M. グリーン : ペロブスカイト on シリコンで 44% を目指す

6 有機金属ハライドペロブスカイト太陽電池関連の講演

7 ペロブスカイト太陽電池材料コストの見積もり (1) ぺロブスカイトの材料コスト : 200 円 /m 2 以下使用量は 0.2g~0.3g/m 2 量産時のコストは 100~200 円 /m 2 (2) 正孔輸送材料 :1000 円 /m 2 以下使用量は 01~0.2g/m 2 量産時のコストは 500~1000 円 /m 2 (3)TCO : 1500 円 /m 2 以下量産時は 1000~1500 円 /m 2 (4) その他封止 対極 ( カーボン Al 等 ): 500 円 /m 2 量産時は 500 円 /m 2 材料費合計は 2100~3200 円 /m 2 製造装置は塗布中心で 既存の太陽電池製造設備費用よりかなり安い 20% モジュールなら 5m 2 が 1kW で 材料費は 10500~16000 円 /kw 10 年の耐久性でも材料の kwh コストは 1.05 円 ~1.6 円 製造装置費用 パワコン費用 流通コストを乗せても 7 円 /kwh 達成 Stanford 大学グループの試算では結晶シリコンの 5 分の一程度

8 ペロブスカイト系革新的低製造コスト太陽電池の研究開発 サブテーマ Ⅰ. モジュール製造技術開発 A~D A. 塗布製造技術の開発 G. 新素材と新構造による高性能化技術の開発 プロセス技術向上 B. 超軽量太陽電池モジュール技術の開発 ペロブスカイト太陽電池構造制御 サブテーマ Ⅱ. 高機能材料 セル製造技術開発 E~F 大型ペロブスカイト太陽電池セル F. 基盤材料技術と性能評価技術の開発 エネルギーレベルの自在調整 C. 低コストR2R 太陽電池製造技術の RtoRプロセス開発 TiO 2 低温成膜 ペロブスカイトから新素材へ FF in situ 重合法 共蒸着法構造に依存するヒステリシス問題の解決で性能評価方法の確立 高速表面洗浄精密塗工ダイレクトバリア D. 高性能 高信頼性確保製造技術の開発 < ダイレクトバリア > セル上に直接バリア膜を製膜 バリア材が水蒸気ブロック Voc Jsc 改善点 界面制御技術 TiO 2 緻密層 TiO 2 ナノ多孔体ホール輸送層 E. 高性能材料合成技術の開発 ペロブスカイト層 超バリア + 低コスト ペロブスカイト太陽電池試作モシ ュール mm (9 セル直列 ) cm 2 9 直列 = cm 2 反射防止層 新構造の一例 :TCOレスバックコンタクト構造 FとGについては 東京大学先端科学技術研究センター附属産学連携新エネルギー研究施設に集中研を置く ABCDEからもに研究員派遣

9 主なペロブスカイト太陽電池のセル構造 (1) ナノ構造型 (2) 平面ヘテロ接合型 (3) 逆型 ( 有機薄膜類似 ) mesoscopic perovskite solar cell planar perovskite solar cell inverted perovskite solar cell

10 ペロブスカイト太陽電池のセル構造と変換効率 ナノ構造型 ( メソポーラス ) ペロブスカイト太陽電池の変換効率 ( 投稿日 構造別 ) : ナノ構造型 (TiO 2, ZnO, SnO 2 ) : ナノ構造型 (Al 2 O 3, ZrO 2, SiO 2 ) : 平面ヘテロ接合型 : 逆構造型 : 正孔輸送層無し : その他

11 ペロブスカイト太陽電池用高純度材料の開発 京都大学が開発した高効率ペロブスカイト太陽電池のための前駆体材料 (MAPbI 3 -DMF): 販売開始 - Highly purified perovskite precursor - Highly soluble in Solvents - Ready-to-use crystalline solids for one-step solution method to give high PCEs Difference in saturated concentration MAPbI 3 -DMF: 2.2 M (DMF) > 2.0 M (DMSO) PbI 2 + MAI: 2.2 M (DMF) > 1.2 M (DMSO) MAPbI 3 -DMF PbI 2 + MAI Clear Solution Suspension Stirred at 70 o C for 3 min

12 L. Cojocaru, S. Uchida, T. Miyasaka, H. Segawa, et al. Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells one step deposition under dry condition Spray pyrolysis Spin coa ng Evapora on 1. Compact layer (TiAcAc C-45 min) Blocking layer 2. Perovskite layer (CH 3 NH 3 I+ PbCl 2 ) 2000RTM 30s Perovskite coa ng 3. Spiro-OMeTAD layer 3000RTM 30s HTM coa ng 4. Au electrode Au coa ng Normal condi on Dry condi on (20 o C, 2.2%RH)/ Normal condi on (20 o C, 30 40%RH) Normal condi on (Annealing 120 C, 45 min in air) Solvent evaporation - overnight in the desiccator

13 Temperature Effects on the Photovoltaic Performance of Planar Structure Perovskite Solar Cells Ludmila COJOCARU, Satoshi UCHIDA, Yoshitaka SANEHIRA, Victoria GONZALEZ- PEDRO, Juan BISQUERT, Jotaro NAKAZAKI, Takaya KUBO, Hiroshi SEGAWA Chemistry Letters, 1557 (2015). DOI: /cl Spiro CH3NH3PbI3 Thermal expansion Unstable layer TiO2 FTO The huge hystereses may comes from the poor contact between PSC and TiO2 surface and affected by temperature

14 Origin of the Hysteresis in I-V Curves for Planar Structure Perovskite Solar Cells Rationalized with a Surface Boundary Induced Capacitance Model Ludmila COJOCARU, Satoshi UCHIDA, Piyankarage V. V. JAYAWEERA, Shoji KANEKO, Jotaro NAKAZAKI, Takaya KUBO, Hiroshi SEGAWA Chemistry Letters, 1750 (2015). DOI: /cl

15 逆構造セルで性能向上 ( ばらつきが少なくヒステリシス小 ) NIMS 韓礼元博士 Nb5 + act as donor defects in the TiOx matrix. Li+ act as acceptor defects in the NiMgO lattice. (C) 4.6 FTO 1.4 NiMgLiO PbMAI Ti(Nb)Ox PCBM 4.3 Ag Ionic radiis of Ni2+ (0.69 Å), Mg2+ (0.71 Å), Li+ (0.76 Å), are comparable. Therefore, high Li+ doping tolerance for the NixMg1-xO ternary oxides W. Chen, L. Han et al., Science, 350, 944 (2015)

16 ペロブスカイト太陽電池タンデムへの展開 Spectral Splitting Photovoltaics using Perovskite and Wideband DSSC T. Kinoshita, H. Segawa et al. Nature Communications 2015, 6, DOI: /ncomms9834 Perovskite or N719 V OC /V J SC /macm -2 FF Eff./% PSC DSSC Total 21.5 Highest class of η among non-silicon photovoltaics

17 世界の太陽光発電の累積導入量 (IEA PVPS TRENDS 2015 より ) 太陽光発電は世界的に類を見ない成長産業となっている

18 平成 28 年度第 1 回 NEDO TSC Foresight セミナー平成 28 年 6 月 27 日ペロブスカイト太陽電池の最新技術開発動向東京大学瀬川浩司 ペロブスカイト モジュール (7 円 /kwh に向けて ) 高機能材料 セル製造技術開発 Au Spiro-OMeTAD CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x TiO 2 dense layer FTO/glass 300 nm 350 nm 50 nm ペロブスカイト太陽電池の基本的な構造 モジュール製造技術開発 高性能セル (25% に向けて )

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