ペロブスカイト太陽電池評価の物理解析事例

ペロブスカイト太陽電池の物理解析事例

ペロブスカイト太陽電池開発においては、電池性能最適化のための各層の最適設計が求められています。同時に、屋外での使用環境を想定した耐久性も求められており、長寿命化を実現するための劣化機構の解明が必要となっています。当社では、物理解析技術で精緻な解析データをご提供できます。

PSCセル層構造・有用と考えられる情報と物理解析技術

• 各構成層の成膜状態（膜厚均一性、ピンホールの有無など）
  • SEMによるマクロスケールでの表・断面観察
  • 断面(S)TEMによるミクロスケールでの評価
• ペロブスカイト層の結晶構造解析（結晶性・配向性など）
  • XRD法によるマクロな結晶性評価と成膜時の配向性評価
  • 表・断面SEM観察による2次結晶粒径評価
    ⇒（S)TEM法によるナノ結晶組織の観察
• 異相界面状態の評価（密着性、組成急峻性など）
  • SEM、(S)TEM断面観察と界面を横切る組成分析など
• 各構成層の状態解析（露出表面からの分析）
  • XPSによる化学状態評価
  • UPSやREELSを駆使した異相界面の電子状態推定

• SEM: Scanning Electron Microscope
• (S)TEM: Scanning Transmission Electron Microscope
• XRD: X-Ray Diffraction
• XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy
• UPS: Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy
• REELS: Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy

ペロブスカイトセル断面のSEM、（S）TEM観察

大きな市場が見込めるペロブスカイト型太陽電池は、実用化に向け、多層構造の大面積化が重要です。図（左）は、ガラス上の極薄SnO₂層に形成したペロブスカイト層のFIB¹⁾加工断面のSEM像です。図（右）は薄片作成後に取得したSTEM-HAADF²⁾像（＠80kV）です。電池やFC分野で培った低ダメージの試料調整とSEM、STEMの観察・分析によって、材料開発やプロセス開発を支援できます。

1. FIB: Focused Ion Beam
2. STEM-HAADF:Scanning Transmission Electron Microscope-High Angle Annular Dark Field

表面SEM観察によるペロブスカイト層の成膜状況評価

太陽電池セルを構成する各層の成膜状態評価には、広域の観察が求められます。右図は、ペロブスカイト層の表面を加速電圧5kVで観察したSEM像です。1～2µm単位の結晶粒が緻密に形成していること、粒界に輝度の高い第二相が確認できます。さらに低加速電圧とすることで、一般的にペロブスカイト層の上下に数10nm厚みで形成される電子やホール輸送層の評価も可能と考えられます。

高分解能STEMによるペロブスカイト層/電子輸送層の断面観察

図は薄い電子輸送層（SnO₂）とペロブスカイト層の界面領域のSTEM-BF¹⁾像です。30nm程度のSnO₂層は、強い回折コントラストを示さず、ナノ結晶もしくは非晶質であることが推定されます。Glass/SnO₂/ペロブスカイトの層間は空隙がなく密着しています。ペロブスカイト層は、SEM像から考えられるミクロン単位ではなく、20nm未満の微粒子から構成されています。左上の拡大像では10～20nmの粒子が格子縞を示しており、試料調整や観察時のダメージが抑制された撮影が出来ています。

1. BF: Bright Field

精密断面試料によるペロブスカイトセル構造の広域SEM観察

ペロブスカイト太陽電池の大面積化に伴い、層構造の均一性や特定箇所における構造変化などを確認する必要性があり、狙った場所での断面試料作製は重要な技術です。FIB¹⁾装置では観察したい任意の場所から断面を作製可能ですが、ペロブスカイト型太陽電池は試料調整時に変質しやすく、非暴露あるいはクライオ条件での薄膜試料作製が重要です。下図は、約20µm幅にわたって精密に加工したセル断面の観察例です。ガラス基板上に形成した各層が良好なコントラストで識別できています。

1. FIB: Focused Ion Beam