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ペロブスカイト太陽電池の開発は、宮坂らの最初の報告から10年間で著しい発展を遂げています。多くの研究者がペロブスカイト太陽電池の実用化のため、素子の安定化と大面積化に取り組んでいますが、大規模生産に向けた主なボトルネックの一つはホール輸送層にあります。従来から使用されているSpiro-OMeTAD、PTAAなどのホール輸送材料は、材料コストが高いだけでなく、キャリア輸送特性の向上のためにドーパントを必要とすることから、太陽電池の安定性を低下させることが分かっています。
近年、GetautisおよびAlbrechtらは、ペロブスカイト太陽電池を高性能化するホール選択的自己組織化単分子膜(SAM)形成試薬 2PACz [製品コード：C3663]、MeO-2PACz [製品コード：D5798]、Me-4PACz [製品コード：M3359]、Me-2PACz [製品コード：M3477]、Br-2PACz [製品コード：B6391]を開発しました。2PACz、MeO-2PACz、Me-4PACzおよびMe-2PACzはホスホン酸部位をアンカーとすることで、金属酸化物表面に単分子膜を形成する特徴があります。SAMは凹凸面にも均一に被覆できることから、タンデム太陽電池の作製にも有効です。SAMホールコンタクト層を使った太陽電池はドーパント不要でも20%以上の変換効率を実現でき、さらに材料消費量が極めて少ないことからコスト対効果が極めて高いと言えます。2PACzを用いた有機薄膜太陽電池（OPV）は18.03%変換効率を示し、既存のPEDOT:PSSを用いた場合に比べて高い性能を示すことが報告されています。Me-4PACzをホールコンタクト層に用いたペロブスカイト-シリコンタンデム太陽電池においては、29.15%の太陽電池効率を実現しています（Table 1）。GetautisおよびAnthopoulosらは、Br-2PACzのOPVデバイスが18.4%の効率を示し、PEDOT:PSSを用いたデバイスよりも高いパフォーマンスを示すことを報告しています。
製品
特長
- 添加物・中間層・ドーパント不要で太陽電池デバイスの効率化、万能化、安定化が可能
- 自己組織化により酸化物表面の均一な被覆が可能（凹凸面を含む）
- SAM形成プロセスは単純で大面積化、かつ費用対効果が極めて高い
利用例
自己組織化単分子膜（SAM）を用いた場合のPSC、OPVのエネルギー変換効率：
(CsMAFA = Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3, MAFA = MA0.05 FA0.95Pb(I0.95Br0.05)3,
Cs = cesium, MA = methylammonium, FA = formamidinium, CIGSe = copper indium gallium selenide)
* データは文献1-7)より引用
使用プロセス
手法1: ディップコーティング
大面積コーティングおよび凹凸基板に対して有用
手法2: スピンコーティング
迅速な研究開発と最適化条件検討に有用
* 最低限必要な浸漬時間は、数分から数時間の範囲で異なります。2PACzを用いたさらなる実験検討の結果、研究者らによって0.5 mmol/Lの濃度、5分の浸漬により再現性のある結果が見出されています。最適濃度と浸漬時間は、使用する酸化物基板と前処理条件により異なる場合があります。
- 本SAM形成試薬は、現在使われている標準的なホール輸送材料（PTAAなど）よりも高い再現性で、かつ幅広いプロセス領域で対応できます。ITOなどの基板はUVオゾン処理によって洗浄し、活性化しておく必要があります。
- 通常、SAM形成試薬の粉末はエタノールまたはイソプロパノールに溶解し（1 mmol/L = 0.3 mg/mL）、MeO-2PACz粉末は空気中にも保存可能、2PACz、Me-4PACzは窒素充填したグローブボックスに保存しておきます。
引用文献
- 1) Conformal monolayer contacts with lossless interfaces for perovskite single junction and monolithic tandem solar cells
- 2) Co-Evaporated p-i-n Perovskite Solar Cells beyond 20% Efficiency: Impact of Substrate Temperature and Hole-Transport Layer
- 3) Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction
- 4) Self-Assembled Monolayer Enables Hole Transport Layer-Free Organic Solar Cells with 18% Efficiency and Improved Operational Stability
- 5) 20.8% Slot-Die Coated MAPbI3 Perovskite Solar Cells by Optimal DMSO-Content and Age of 2-ME Based Precursor Inks
- 6) NREL solar cell efficiency chart
- 7) 18.4% Organic Solar Cells Using a High Ionization Energy Self-Assembled Monolayer as Hole-Extraction Interlayer
