Ammonium thiocyanate enables in-situ structural templating of MAPbI3 via quasi-2D perovskite scaffold
本研究は、チオシアン酸アンモニウムが、2D層を通じた電荷輸送を促進することによってではなく、準2D相の形成を速度論的に制御することで、高度に秩序化された3Dペロブスカイト結晶の成長を構造的にテンプレート化する格子整合した足場を形成することにより、MAPbI₃ペロブスカイト太陽電池の性能を向上させることを明らかにしている。
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ペロブスカイトと呼ばれる一連の材料で作られた太陽電池は、クリーンエネルギーの未来に大きな期待を集めています。これらの材料は製造が安価で、柔軟な表面に印刷することも可能ですが、大きな障害に直面しています。それは、水分や空気にさらされると不安定になりやすいということです。これを解決するために、科学者たちは「準二次元ペロブスカイト」として知られる変種を開発しました。非常に効率的な光吸収層を、厚い撥水性の有機シートで挟んだサンドイッチを想像してみてください。これらの有機シートは保護障壁として機能し、内部の層を湿度から守り、太陽電池の耐久性を大幅に向上させます。しかし、この保護には代償が伴います。厚い有機層は電気の流れを遮断してしまう可能性があり、また、材料がさまざまな層の厚さを持つ乱れた混合物として形成されることが多く、それがエネルギーを閉じ込め、電池が発生できる電力を低下させてしまうのです。長年、研究者たちは、電気を効率的に伝導する能力を犠牲にすることなく、これらの層状構造の安定性を維持する方法を見つけるのに苦心してきました。
最近の研究において、研究チームは、これらの太陽電池の改善に使用されてきた一般的な化学添加物であるチオシアン酸アンモニウムを調査しましたが、その正確な機能は謎のままでした。支配的な説では、この添加物は、保護用の有機層を、本を端に立てて積み重ねた時のように垂直に立たせることで、電気の流れをより容易にするというものでした。研究者たちは、一方はもう一方よりもわずかに長い鎖を持つ二種類の異なる有機分子を用いて、この仮説を検証し、添加物の有無によって材料がどのように形成されるかを観察することで、このアイデアをテストすることにしました。彼らは薄膜が形成される様子をリアルタイムで観察し、光の吸収率を測定し、強力なX線ビームを使用して材料内部の原子の配列を調べました。
彼らが発見したことは、これまでの理解を根底から覆すものでした。添加物は単に有機層を垂直に再配向させるのではありませんでした。むしろ、材料が最初から高度に秩序化された三次元結晶構造を形成するのを助けるガイドとして機能していたのです。研究者たちは、添加物が結晶化のプロセスを遅らせ、原子が乱れた状態へと急いでしまうのではなく、完璧なパターンへと配列するための時間をより多く与えることを発見しました。長い鎖を持つ有機分子を使用したサンプルにおいて、添加物は、電気の路上の障害となる特定の、問題のある層の厚さが形成されるのを防ぐことに成功しました。それは、中間層の成長を促す足場（スキャフォールド）として機能する一時的な層を形成し、最終的に非常に効率的な三次元結晶が完全に整列した配向で成長することを可能にしました。その結果、得られた材料は、より安定しているだけでなく、電気の移動もはるかに優れたものとなりました。
この新しいメカニズムの証拠は、原子の配列方法に見出されました。X線散乱を用いたところ、チームは、添加物が（110）面を基板に対して平行にするように三次元結晶面を整列させていることを見出しました。これは、電力を抽出するのに理想的な構成です。この整列は非常に精密で、瓦礫の山というよりも、完璧にタイルが敷き詰められた床のようでした。決定的なことに、この効果は、添加物が特定の長い鎖を持つ有機分子と相互作用した場合にのみ起こりました。研究者が短い鎖の分子を使用したとき、添加物は問題となる層の形成を阻止できず、材料は無秩序なままとなりました。これは、添加物の成功が、材料に対する一般的な効果ではなく、添加物と有機分子との間の特定の化学的な一致に依存していることを証明しました。
この発見による影響は、太陽電池の性能に即座に現れました。長い鎖を持つ分子と添加物で作られたデバイスは、それらを使用しないものよりも大幅に多くの電力を生成しました。発生できる電流の量は、約9.2 mA cm⁻²から17.1 mA cm⁻²へと大幅に増加し、太陽光を電力に変換する全体的な効率も、控えめなレベルから非常に競争力のある数値へと跳ね上がりました。この改善は、新しい秩序ある構造によって、電荷が粒界で停滞したり、不要な薄い層によってブロックされたりすることなく、自由に移動できるようになったためです。研究者たちはまた、添加物が既存の材料の欠陥を単に補修したのではなく、材料がどのように成長するかを根本的に変えたことも確認しました。原子が正しい位置を見つけるための時間枠を延ばすことで、添加物は、これらの複雑な層状システムにおいて以前は困難であった高品質な結晶の形成を可能にしたのです。
この研究は、より優れた太陽電池への鍵は、単に問題を修正するために化学物質を加えることではなく、材料が形成されるタイミングと条件を慎重に制御することにあることを示唆しています。この研究は、結晶化プロセスを遅らせ、適切な分子の組み合わせを使用することで、科学者が材料を高度に効率的な構造へと自己構築するように導けることを実証しました。添加物はテストされたすべての種類の有機分子に対して機能したわけではありませんが、長い鎖を持つバージョンでの成功は、将来の太陽電池を設計するための明確なブループリント（設計図）を提供しています。それは、適切な化学的パートナーがあれば、ペロブスカイト材料を、要素に対して安定でありながらエネルギーを収穫する効率も高いものにすることが可能であることを示しており、太陽光発電が信頼でき、かつ手頃な価格となる未来へと私たちを近づけています。
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