熱によるペロブスカイト太陽電池の性能劣化がゼロに 産総研が開発に成功

[スマートジャパン]

　産業技術総合研究所は2026年3月13日、一般に販売されている有機材料を用い、ペロブスカイト太陽電池の耐熱性と屋外耐久性を高めることに成功したと発表した。ペロブスカイト太陽電池の熱による劣化メカニズムの一因を解明するものであり、同電池の実用化を後押しする成果としている。

　高効率で軽量かつ柔軟性があるペロブスカイト太陽電池は、従来設置が難しかった場所などにも導入できる次世代太陽電池として注目が集まっている。一方で、その本格的な普及に向けた課題として指摘されているのが、耐熱性の問題だ。ペロブスカイト太陽電池も多くの場合は耐熱性が低く、高温環境下（85℃）においては数十時間で初期性能の10分の1以下に低下する事例もあるという。屋外かつ夏季の長期設置を想定した場合、こうした課題をクリアする必要がある。

　こうした熱劣化の原因は、ペロブスカイト太陽電池構成層の一つである正孔輸送層の劣化が原因であるとされており、研究グループでは劣化しにくい正孔輸送層の開発に取り組んできた。

　今回研究グループは、2-フェニルピリジンまたは3-フェニルピリジンという有機材料を正孔輸送層に注入すると、熱耐性が大幅に向上することを発見した。耐熱試験（85℃、2400時間）では初期効率を100％維持し、さらに2025年6月（夏季）〜2026年2月（冬季）の屋外暴露試験においても、初期効率からの効率低下が観測されなかったという。

従来材料の課題と今回の研究で用いた材料による耐熱性向上のイメージ　出典：産業技術総合研究所

　この性能の向上は、分子構造の違いによるものだという。従来用いていた4-tert-ブチルピリジンは、窒素（N）と炭素から構成されるピリジン環に炭素4個からなるtert-ブチル基（置換基）を持ち、窒素（N）の位置に対して、置換基が180度反対側に接続した分子構造が特徴となっている。一方で、2-フェニルピリジンなどは分子構造が拡散方向に対して非直線的なピリジン環と六員環で構成されており、これが熱拡散の抑制に寄与したとしている。

　また、今回利用した材料は容易に入手できるというメリットもある。さらに、正孔輸送層を厚く塗布することができ、塗布工程が容易になるため、量産プロセスにも適しているという。

ペロブスカイト層への熱拡散のイメージ　出典：産業技術総合研究所

　さらに研究グループは、耐熱性を有する材料の探査を目的に、分子構造の異なる材料を検証した。まず、分子構造が異なる36種類の分子を選定し、各分子がペロブスカイト太陽電池の耐熱性に与える影響を評価した。具体的には、多様な物理物性を有する分子を網羅的に選定することで、どの物理パラメーター（分子の歪み具合、沸点、溶解性、分子量、ガラス転移温度など）がペロブスカイト太陽電池の耐熱性に寄与するかを解析した。

　これらの材料探索の結果、耐熱性向上にはピリジン環の置換基の位置が重要な因子であることが分かった。特に、ピリジンの窒素（N）原子に対して置換基であるフェニル基が60度または120度の位置にある場合に高い耐久性を示すことが分かり、耐熱性を向上させるための分子構造の設計指針を得ることにも成功した。

　今後は非直線的なさまざまな分子構造を有する材料で試験を行い、太陽電池のさらなる耐久性の向上を目指す方針。耐熱試験に加え、耐湿試験、耐光試験、長期屋外暴露試験によって長期安定性を実証し、さらにペロブスカイト組成の最適化や劣化抑制技術の導入などにより、寿命20年以上の高性能ペロブスカイト太陽電池の開発を進めるとしている。