ペロブスカイト太陽電池の成膜技術と性能自動測定システム

Deposition Technology and Automated Comprehensive Performance

Assessment System for Perovskite Solar Cells

エネルギー材料と表面科学ユニット Energy Materials and Surface Sciences Unit

大野ルイス勝也 グループリーダー研究員 Luis Katsuya Ono (Group Leader)

ペロブスカイト太陽電池とはAbout Perovskite Solar Cell

ペロブスカイト実用化への課題：大型化、安定性Challenges for commercialization: scalability & stability

1

ペロブスカイトPerovskite

シリコンSi

変換効率PCE

20%以上20+%

20%以上20+%

コストCost

低 - 材料、製造コストLow material costs and manufacturing costs

高 - 製造コストHigh manufacturing costs

太陽光Sunlight

弱光、拡散光でも発電Dim/diffuse light is ok

強い直射日光が必要Direct sunlight

重さ、形状、色Weight, shape, color

軽量、柔軟性あり、半透明Light, flexible, semi-transparent

重い、固い、黒いHeavy, rigid, dark

用途Application

室内、窓、カーテン、建築材に用途拡大Indoor, windows, curtains, building‘s shells

屋根上、太陽光発電ファームに限定Rooftop and solar farm panels only

次世代太陽電池の中でも突出したエネルギー変換効率（PCE）Outstanding power-conversion efficiency among next generation PV cells

OIST独自の化学蒸着法OIST Chemical Vapor Deposition (CVD) method

OISTの成膜技術Our Deposition Method

100個の10x10cmモジュールから成る1x1m のペロブスカイト太陽光パネルを開発中Currently developing a 1x1m panel consisting of 100 pcs of 10x10cm modules

2

大型化 (モジュール面積25cm2 / 有効面積 12cm2)Scalability (Module 25cm2 / Active area 12cm2)

安定性Stability

高エネルギー変換効率(PCE) 14.6%High PCE 14.6%

低温製造(室温～150 ℃)Lower fabrication temp. (Room temp – 150 ℃ )

溶液法、既存CVD法より低い製造コストLower fabrication costs than solution method and standard CVD

method

3

パネルPANEL

太陽電池 Photovoltaic (PV) System

http://www.energy-transition-institute.com/Insights/SolarPhotovoltaic.html

OISTの測定技術：背景Our Measurement Technology: Background

セルCELL

アレイARRAY

グリッドGRID

高精度な性能測定が重要!Precise Electrical Characterization

Important!

➢ 太陽電池の構成：各セル/モジュール、パネル、アレイ、グリッドMain components of PV system:

Single cell/module, Panel, Array and Grid.

➢ パネル内に特性の低いセルが混入していると、そのセルが抵抗となりパネルの出力に影響を及ぼすLow performing cells in a panel generate resistance

and affect overall performance of that panel.

各セルの正確な特性測定を行い、均一性の高いセルを集める事が重要Measuring performance of each cell and making a panel

with uniform cells.

従来技術：シリコンと同じ測定方法Conventional Technology: Same Measurement Method as for Silicon

ペロブスカイトに使用する問題点Problems in measuring Perovskite PCE by conventional instrumentation for Si-based solar

ペロブスカイトでは光電流量が電圧走査条件に強く依存Strong dependence of the photocurrent on the voltage-scan conditions

↓

履歴挙動*（ヒステリシス挙動）が起こるHysteretic behaviour

↓

正確なPCE測定が困難！Inaccurate PCE

履歴挙動・・・ある量Aの変化に伴って他の量Bが変化する場合，Aが増加するときと減少するときとで，同じ Aの値に対する Bの値が異なる現象Hysteresis・・・the phenomenon in which the value of a physical property lags behind changes in the effect causing it

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

5

10

15

20

Ph

oto

cu

rre

nt

(mA

/cm

2)

IFW

(td = 5 ms)

IRS

(td = 5 ms)

Voltage (V)

12.0%

10.6%

― FW scan (Vmin →Vmax)

― RS scan (Vmax →Vmin)

異なるPCE値が測定されてしまうDifferent values are measured.

4

Zhang, et.al., Mater. Horiz., 2015, 2, 315

新技術：ペロブスカイト用の測定方法New Technology: New Method for Perovskite

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

5

10

15

20

Ph

oto

curr

en

t (m

A/c

m2)

IFW

(td = 5 ms)

IRS

(td = 5 ms)

Voltage (V)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

5

10

15

20

Ph

oto

curr

en

t (m

A/c

m2)

I(td )

Voltage (V)

11.5%

PCE=12.0%

10.6%

新技術 Our developed system従来技術 Conventional system

ペロブスカイト太陽電池用

自動測定システム

（ソフトウェアも含む）

Automated comprehensive system

including software for measuring and

assessing perovskite-based device

performances

➢ 標準I-V測定 Standard I-V measurement

Siセルと同様 i.e. similar to Si cells

➢ 履歴（ヒステリシス）測定 Hysteresis measurement

スキャンレート; 前照射 、プロット、フィッティング Scan rate; pre-illumination; poling; fitting

➢ 光電流の安定 Steady photocurrent

最大電力点（MPP）の追従 Track of maximum-power-point (MPP)

➢ 安定性測定 Stability measurement

ガス環境 (N2, ドライ-O2, …); 湿度制御、温度、光度

Gas environment (N2, dry-O2, …); Humidity control; temperature and light intensity.

➢ 自動化 Automation

コンピューター制御; リレー基盤、マルチデバイス測定、MPP追従

Computerized; relay boards; multi-device measurement; track of MPP actively

正確なP

CE

値を測定

Corre

ctP

CE

me

asure

ment

5

Zhang, et.al., Mater. Horiz., 2015, 2, 315

6

…

…

… …光源

Light source

Switch board.

SMU（ソースメジャーユニット）

１つのセルのI-V測定

Measure single cell

I-V at a time.

DC電圧供給：SMUで測定されているセル以外の動作条件を制御SMU.

コンピューターLabviewソフトウェア

Computer installed

with controlling

software written on

Labview platform

GPIB Card

PART A

PART B

PART C PART D

PART G PART F

PART E

電圧 Voltage

電流 Current

相対湿度Relative humidity

&

温度 Temp.

ガス（N2, dry O2, H2O bubbler, …）

真空 Vacuum,

排気 Exhaust

環境チェンバーEnvironmental

Chamber

ペロブスカイト測定システム概要図Overview Schematic

DC voltage supply to

keep all rest cells

under operation

conditions, except the

one under the

measurement by SMU

既存製品 /Conventional product 本技術 /Our Technology

ヒステレシス測定不可Automated measurement.

セル１個ずつをマニュアル測定Manually measures cells, one by one.

ヒステレシス測定可Hysteresis measurement.

複数のセルを測定可（ホルダー数、ソケット数拡張可）Extendable holder and sockets.

自動測定（スイッチボード）Automated measurement.

ペロブスカイト測定システム概要System Overview

サンプルホルダーSample holder

ソケット(写真は4個)Sockets (4off in photo)

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スイッチボードSwitch boards

開発効率アップ！Higher efficiency in R&D.

ペロブスカイト測定技術の用途Expected Application for the Measurement System

• ペロブスカイト太陽電池の性能評価Characterization processes of perovskite solar cells for accurate PCE determination

• 試作品の測定自動化として、その他の太陽電池テクノロジーにも使用可能Compatible with the existing photovoltaic technologies

➢ Si

➢ GaAs

➢ CIGS

➢ CdTe

➢ 有機太陽電池 Organic PV

➢ 色素増感太陽電池 Dye-sensitized solar cells

➢ 量子ドット太陽電池 Quantum dot PV.

• ペロブスカイトLEDやレーザーの性能評価Further expandable to characterize perovskite LED and lasers.

8

OISTのペロブスカイト太陽電池の技術ポートフォリオOIST technology portfolio of Perovskite PV

➢ 成膜技術Deposition

➢ 測定技術Mesurement

➢ その他周辺技術 多数ありMany other surrounding technologies

2019年中に1x1m の実用化サイズのパネルを完成（目標）Aim to finish 1x1m perovskite solar panel technology in 2019.

実用化に向けてCommercialization

9

1 m1 m

(a) (b)ClB Cell ClF Cell

Pin-holes

640 635 630 625 620 615 610

ClB Cell

XP

S I

nte

nsity (

arb

. un

its)

Binding Energy (eV)

I 3d

ClF Cell

(c) ClB Cell ClF Cell

0 h

49 h

100 h

(d)

• 発明の名称 ：ペロブスカイト光電子デバイス用自動性能評価システム及び方法

原題「System and Method for Automated Performance

Assessment of Perovskite Optoelectronic Devices」

• 出願番号 ：PCT国際出願 PCT/JP2017/019872

• 出願人 ：沖縄科学技術大学院大学（単独）

• 発明者 ：Yabing Qi (教授)

大野ルイス勝也(研究員)

Sonia Luiz Raga(研究員)

Mikas Remeika(研究員)

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特許Patents

成膜技術、周辺技術等、全9特許あり

9 patents incl. deposition and surrounding

technologies

沖縄科学技術大学院大学（OIST）

技術移転セクション

TEL ： 098-966-8937

FAX ： 098-982-3424

E-mail : tls@oist.jp .

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お問い合わせ先Contact