希土類元素導入ペロブスカイト系太陽電池の最適組成の理論的探索と導入効果の検証

稀土元素钙钛矿太阳能电池最佳组成的理论探索及引入效果验证

• 批准号: 21K05261
• 负责人: 鈴木 厚志
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: The University of Shiga Prefecture
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05261/
• 关键词: ペロブスカイト太陽電池; 光起電力特性; 希土類元素; 第一原理計算; 電子構造; 分子動力学; X線回折; 太陽電池; エネルギー変換材料; 無機デバイス関連材料; バンド構造

ハロゲン化鉛系ペロブスカイト太陽電池は、従来の太陽電池よりも優れた開放電圧、高い光電変換効率を有しているが、長期安定性に乏しく、実用化する上で光活性層であるペロブスカイト結晶の劣化抑制や界面の構造最適化や電子構造制御を行い、性能向上が求められている。本研究は、希土類元素の導入により長期安定性かつ高性能なペロブスカイト太陽電池の開発を行うことを目的とする。光活性層であるペロブスカイト結晶の電子構造解析から性能を予測し、光起電力特性、表面形態の観察や結晶構造解析から性能評価を行った。希土類元素 (Eu, Gd, Nd) やハロゲン化アンモニウム化合物の導入により光活性層の劣化を抑制しながら性能向上と長期安定化を行った。第一原理計算法により価電子帯、伝導帯付近のバンド構造から有効質量やバンドギャップEgを予測し、キャリア移動や開放電圧の改善を予想した。希土類元素のd軌道と配位子のp軌道の重なりから電荷移動の促進が予想され、Eu, Gd導入によりキャリア移動や電荷移動、短絡電流密度が改善し、変換効率が上昇することを予測した。分子動力学計算によりペロブスカイト結晶の熱力学的安定性や分子運動性を検討した。希土類元素 (Eu, Gd) 導入により安定性が向上し、有機カチオン脱離による分解を抑制することを予測した。Eu, Gdの酸化還元反応やシラン化合物およびフタロシアニン錯体の導入により光活性層の劣化を改善しながら性能向上と長期安定化を行った。希土類元素導入ペロブスカイト結晶の材料設計および性能予測により長期安定性かつ高性能なペロブスカイト太陽電池の開発が可能となった。

与传统太阳能电池相比，卤化铅基钙钛矿太阳能电池具有优越的开路电压和高光电转换效率，但缺乏长期稳定性，使得光活性层中的钙钛矿晶体难以投入实际应用。需要通过抑制劣化、优化界面结构和控制电子结构来提高性能。这项研究的目的是通过引入稀土元素来开发具有长期稳定性和高性能的钙钛矿太阳能电池。通过对作为光活性层的钙钛矿晶体的电子结构分析来预测性能，并通过光伏特性观察、表面形貌和晶体结构分析来评估性能。通过引入稀土元素（Eu、Gd、Nd）和卤化铵化合物，我们抑制了光活性层的劣化，同时提高了性能并实现了长期稳定性。利用第一性原理计算，我们从价带和导带附近的能带结构预测了有效质量和带隙 Eg，并预测了载流子运动和开路电压的改善。从稀土元素的d轨道与配体的p轨道的重叠预测电荷转移的加速，并预测Eu和Gd的引入将改善载流子转移、电荷转移和短路电流密度，并提高转换效率。使用分子动力学计算研究了钙钛矿晶体的热力学稳定性和分子迁移率。我们预测稀土元素（Eu、Gd）的引入将提高稳定性并抑制由于有机阳离子消除而导致的分解。通过Eu和Gd的氧化还原反应以及硅烷化合物和酞菁配合物的引入改善了光活性层的劣化，同时改善了性能并实现了长期稳定性。掺入稀土元素的钙钛矿晶体的材料设计和性能预测使得开发具有长期稳定性和高性能的钙钛矿太阳能电池成为可能。

项目成果

フタロシアニン錯体導入ペロブスカイト太陽電池の作製と評価

含有酞菁配合物的钙钛矿太阳能电池的制备和评估

• 发表时间: 2022
• 作者: 小川ちひろ;鈴木厚志;奥健夫;大北正信;福西佐季子;立川友晴;長谷川智也
• 通讯作者: 長谷川智也

第一原理計算によるアルカリ金属、遷移金属、希土類元素導入FAPbI3ペロブスカイト結晶の電子構造解析

使用第一性原理计算对包含碱金属、过渡金属和稀土元素的 FAPbI3 钙钛矿晶体进行电子结构分析

• 发表时间: 2021
• 作者: 鈴木厚志;奥健夫
• 通讯作者: 奥健夫

Additive effects of methyl ammonium bromide or formamidinium bromide in methylammonium lead iodide perovskite solar cells using decaphenylcyclopentasilane

甲基溴化铵或溴化甲脒在使用十苯基环戊硅烷的甲基碘化铅钙钛矿太阳能电池中的加和效应

• 发表时间: 2021
• 作者: Atsushi Suzuki; Masaya Taguchi; Takeo Oku; Masanobu Okita; Sakiko Fukunishi;Tomoharu Tachikawa
• 通讯作者: Tomoharu Tachikawa

Additive effects of CuPcX4-TCNQ on CH3NH3PbI3 perovskite solar cells

CuPcX4-TCNQ 对 CH3NH3PbI3 钙钛矿太阳能电池的加性效应

• DOI: 10.1007/s10854-023-10001-z
• 发表时间: 2023
• 作者: Atsushi Suzuki; Ryota Hasegawa; Kai Funayama; Takeo Oku; Masanobu Okita; Sakiko Fukunishi; Tomoharu Tachikawa;Tomoya Hasegawa
• 通讯作者: Tomoya Hasegawa

Additive effects of methyl ammonium bromide or formamidinium bromide in methylammonium lead iodide perovskite solar cells using decaphenylcyclopentasilane

甲基溴化铵或溴化甲脒在使用十苯基环戊硅烷的甲基碘化铅钙钛矿太阳能电池中的加和效应

• DOI: 10.1007/s10854-021-07023-w
• 发表时间: 2021
• 作者: Atsushi Suzuki; Masaya Taguchi; Takeo Oku; Masanobu Okita; Satoshi Minami; Sakiko Fukunishi;Tomoharu Tachikawa
• 通讯作者: Tomoharu Tachikawa