東京大学らの研究グループは、高活性有機低分子と安定性に優れる無機塩部分を合わせ持つ正孔輸送材料「BDPSO」を開発したと発表した。ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送層にBDPSOを用いた結果、太陽電池の製造工程における正孔輸送材料の機能安定性が大幅に向上し、完成した太陽電池の寿命も大きく向上したという。
塗布プロセスで製造可能なペロブスカイト太陽電池は、結晶シリコン太陽電池を超える光電変換効率22％を達成して以来、次世代太陽電池として注目が高まり、研究開発競争が活発化している。その一方で安定性には大きな課題が残されており、安定性の低さの原因究明と長期安定性を向上させた新規材料の開発が求められていた。
ペロブスカイト太陽電池の動作原理は、鉛ペロブスカイト結晶（光活性層）に光を当てて励起状態を作り、そこから生じる電子と正孔をそれぞれアノードとカソードに取り出し、外部の回路につなげて電流を取り出すというもの。その際、電子と正孔を取り出すために光活性層の上下に接合する材料の選択によって太陽電池の効率および素子の寿命に大きな影響を与えることが分かっている。
特に正孔輸送材料は、正孔を受け取った状態で安定な化合物が必要で、適切な材料はほとんど知られていなかった。これまで高分子材料の「PEDOT:PSS」が高性能で広く使われていたが、強酸性とそれに伴う吸湿性のため活性層や電極など素子のさまざまな部分を損なう恐れがあり、素子の寿命が大きな問題となっていた。
研究グループでは、2005年から精密有機合成の手法を用いて新しい有機半導体を合成し、有機薄膜太陽電池の開発に取り組んでいた。今回、その知見を活用して有機薄膜太陽電池の構造に類似した逆型ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送層に着目し、中性で非吸湿性のBDPSOを開発した。市販の安価な有機物から最短2段階で合成でき、再結晶で容易に精製できる。
BDPSOを正孔輸送層に採用したペロブスカイト太陽電池は、エネルギー変換効率（PCE）が17％を超えるとともに、安定性の障害となるヒステリシス（電圧掃引方向や回数によって電流ー電圧曲線にずれが生じる現象）が全く発生しなかった。また、PEDOT:PSSを用いた場合は空気中保存下で急激に性能劣化するのに対し、BDPSOを用いた場合は空気中でも安定であり、35度の連続光照射下でも初期性能の90％を1300時間以上維持できることを確認した。
今後は、引き続き新規材料の開発を行うことで、ペロブスカイト太陽電池の早期の実用化を目指す。また、正孔輸送材料はさまざまな有機エレクトロニクス素子に用いられることから、太陽電池以外の分野での活用も期待される。
