ペロブスカイト太陽電池、空気中での塗布で変換効率22.7%を達成　量産化に向けた新技術

中国科学院（CAS）大連化学物理研究所のYang Dong教授らと大連交通大学の研究チームが、大気中でのスロットダイ塗布によって、メチルアンモニウムを含まない（MAフリー）ペロブスカイト太陽電池モジュールを試作した。学術誌『Advanced Materials』に2026年10月27日付でオンライン公開された論文（筆頭著者：Lianjie Duan氏ら）によると、ガラス基板上に14個のセルを直列接続したモジュール（有効受光面積54.80 ${\text{cm}}^2$）で、エネルギー変換効率（PCE）22.70%を記録したという。ペロブスカイト太陽電池の量産化では、研究室で一般的なスピンコート法から連続塗布工程へ移行する際、大気中での溶媒蒸発や結晶化をいかに制御するかが大きな課題となっている。今回の研究では、2種類の添加剤を組み合わせることで、塗布からアニール処理までの許容時間（プロセシングウィンドウ）を広げ、大面積でも均一な薄膜を形成することに成功した。

2種類のチオシアン酸塩で結晶化の猶予を100秒超に

ペロブスカイト太陽電池に広く使われてきたメチルアンモニウム（MA）は揮発性が高く、熱によって分解しやすい。このため、熱安定性に優れたホルムアミジニウム（FA）とセシウム（Cs）を組み合わせた ${\mathrm{FA}}_x{\mathrm{Cs}}_{1-x}{\mathrm{PbI}}_3$ 系材料が注目されている。しかし、この材料系には大気中での結晶化が遅く、相分離が起こりやすいという課題がある。スロットダイ塗布のような液膜形成プロセスでは、インクを塗布してから加熱処理（アニール）を開始するまでの時間によって膜質が大きく変わる。なお、今回スロットダイ塗布で形成したのはペロブスカイト吸光層であり、モジュール全体を印刷製造したわけではない。

論文では、インク塗布から真空フラッシュ処理までの時間を $\Delta t_1$、その後、アニールを開始するまでの待機時間を $\Delta t_2$ とし、両者の合計をプロセシングウィンドウ $\Delta t$ と定義している。研究チームは、この許容時間を広げるため、ホルムアミジニウムチオシアン酸塩（FASCN、2 mg/mL）とルビジウムチオシアン酸塩（RbSCN、5 mg/mL）を前駆体インクに加える手法を開発した。2種類の添加剤を併用することで、結晶の形成と安定化を同時に制御する狙いがある。

それぞれの添加剤は異なる役割を担っている。単独添加による比較実験では、FASCNは真空フラッシュ処理時の核生成と結晶成長を促進したが、それだけでは均一な結晶相を維持できなかった。一方、RbSCNによる初期の核生成促進効果は比較的穏やかなものの、光電変換に寄与しないイエロー相（$\delta$相）の形成を抑え、光を吸収するブラック相（$\alpha$相）の安定化に寄与することが分かった。

この違いは、結晶化過程を観察した実験でも確認された。待機時間 $\Delta t_2$ を5分（300秒）まで延ばしたその場フォトルミネセンス（in situ PL）測定では、無添加の対照膜で $\alpha$-FAPbI₃ に由来する発光信号が途中で消失したのに対し、複合添加膜では安定した信号が維持された。X線回折（XRD）測定でも、70℃の熱処理段階において、無添加膜とFASCN単独添加膜は光電変換に不向きな $\delta$相にとどまった一方、RbSCNを含む膜と複合添加膜は速やかに $\alpha$相へ転換した。

研究チームは、赤外分光法（FTIR）で観測されたチオシアン酸イオン（${\mathrm{SCN}}^{-}$）の $\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ 伸縮振動のシフトや、X線光電子分光法（XPS）による鉛（Pb）周囲の結合状態の変化から、添加剤が前駆体溶液中で鉛錯体と配位結合を形成していると説明する。さらに、密度汎関数理論（DFT）による計算では、ルビジウムイオン（${\mathrm{Rb}}^{+}$）が結晶格子のAサイトに入ることで格子歪みが緩和され、$\delta$相から $\alpha$相への相転移に必要な活性化エネルギーが0.68 eVから0.64 eVへ低下すると推定された。ただし、このエネルギー低下は理論計算に基づくものであり、実験で直接測定された値ではない。

共同著者である大連交通大学のZhihua Zhang氏は、EurekAlert!に掲載されたコメントで、「製造プロセスの制御をより厳格に締め付けるのではなく、結晶化プロセスそのものの製造ばらつきに対する許容度を高めた」と説明している。2種類の添加剤による相乗効果によって、均一な結晶化が可能な処理許容時間は100秒を超え、結晶粒が大きく、残留応力の少ない緻密な薄膜を形成できた。

小面積セルで26.16%、54.80 cm²のモジュールで22.70%を達成

太陽電池の性能を評価する際には、研究室で作製した小面積の単セルと、複数のセルを直列接続した大面積モジュールを区別する必要がある。今回の研究では、両者についてそれぞれ測定結果が報告されている。測定には、標準的な擬似太陽光条件であるAM 1.5G（照射強度100 ${\text{mW/cm}}^2$）が用いられた。

最適条件で作製した小面積セルの最高性能は、開放電圧（$V_{\mathrm{oc}}$）1.19 V、短絡電流密度（$J_{\mathrm{sc}}$）26.15 ${\text{mA/cm}}^2$、曲線因子（FF）84.19%で、変換効率は26.16%に達した。外部量子効率（EQE）スペクトルから算出した積分電流密度は25.80 ${\text{mA/cm}}^2$となり、電流電圧測定の結果とも整合している。また、最大電力点（MPP）で300秒間動作させた測定でも、動作電圧1.06 Vで26.14%の安定化効率を維持した。

再現性を調べるために作製した小面積セル10個の平均効率は約26%で、無添加の対照セルの約20%を上回った。ただし、これらは概数として示されたもので、厳密な統計的有意差検定に基づく結果ではない。さらに、大面積塗布膜の均一性を評価するため、10 cm × 10 cmの基板から8個の平面型p-i-nセルを切り出して測定したところ、各セルの変換効率は約24%となった。無添加膜では効率の偏差が±1.16以上だったのに対し、複合添加膜では±0.48未満に収まり、膜質のばらつきが抑えられていることが確認された。

• 複合添加剤（本研究）
• 無添加（対照群）

データを表で見る

	複合添加剤（本研究） (%)	無添加（対照群） (%)
小面積セル（単一素子）	26.16	20
大面積モジュール（54.80 cm²）	22.7	15.8

ガラス基板上に14個のセルを直列接続した大面積モジュールでは、有効受光面積54.80 ${\text{cm}}^2$に対して最高変換効率22.70%が得られた。無添加で作製した対照モジュールは15.80%にとどまり、複合添加剤の使用によって6.90ポイントの効率改善が見られた。ただし、論文には第三者認定機関による公式な認定効率の記載はなく、今回の22.70%は研究チームが実験室で測定した報告値である。

窒素雰囲気下で65℃・1,300時間の連続動作試験を実施

ペロブスカイト太陽電池の実用化では、高い変換効率だけでなく、熱や光に長時間さらされた際の耐久性も重要となる。研究チームは、封止処理を施していない素子を使用し、複数の条件で加速劣化試験を実施した。

AM 1.5Gの擬似太陽光（100 ${\text{mW/cm}}^2$）を連続照射し、素子温度を65℃に保ちながら最大電力点で動作させた試験では、複合添加剤を使用した素子が1,300時間後も初期変換効率の97.76%を維持した。同じ条件で試験した無添加素子は、初期効率の65.86%まで低下した。1,300時間は連続運転で約54.2日間に相当し、複合添加剤によって長時間動作時の劣化が大幅に抑えられたことになる。

ただし、この結果を屋外での耐久性と同一視することはできない。試験は水分や酸素を排除した窒素雰囲気下で実施されており、実際の屋外環境とは条件が異なる。論文ではこの試験を「ISOS-L-3」と記載しているが、2020年に公表された太陽電池の安定性評価に関する国際合意声明（ISOSコンセンサス）の厳密な区分では、不活性雰囲気下で行う変形試験は末尾に「I」を付けた「ISOS-L-3I」に相当すると考えられる。ISOSは劣化試験の条件や評価手法を共通化するための手順であり、屋外での長期信頼性を評価する国際電気標準会議（IEC）の認証に代わるものではない。

光照射を伴わない試験でも、複合添加剤による劣化抑制効果が確認された。窒素雰囲気下の85℃で暗所加熱した熱安定性試験では、複合添加素子が1,000時間後も初期効率の96%超を維持した一方、無添加素子は600時間以内に90%を下回った。また、相対湿度30～50%の通常大気中で、発電動作させずに暗所保管した試験では、無添加素子の効率が1,600時間後に初期値の41%まで低下したのに対し、複合添加素子は97%超を維持した。これらの結果は熱や湿度に対する耐性の改善を裏付けるものだが、暗所での保管試験と、光照射・水分・酸素などが同時に作用する屋外発電環境での寿命評価は区別する必要がある。

先行研究との比較と量産化に残る課題

大面積ペロブスカイト太陽電池の性能を比較する際には、変換効率だけでなく、塗布方式や測定対象の面積にも注意が必要だ。同じ研究グループが関与した2025年の『Joule』誌の論文では、電子輸送層、ペロブスカイト吸光層、正孔輸送層のすべてをブレード塗布で形成したモジュールが報告されている。今回の研究と主な違いを比較すると、次のようになる。

項目	本研究（Advanced Materials 2026）	先行研究（Joule 2025）
塗布方式と対象層	スロットダイ塗布（ペロブスカイト層のみ）、大気中	全ブレード塗布（電子輸送層、ペロブスカイト層、正孔輸送層）、大気中
モジュール面積と定義	有効受光面積（Active area）：54.80 ${\text{cm}}^2$	アパーチャ面積（Aperture area）：57.20 ${\text{cm}}^2$
報告された最高効率（PCE）	22.70%（著者報告値）	22.76%（著者報告値）
認定効率 / 安定化出力	認定値なし / 小面積セルの300秒MPP測定で26.14%	認定PCE：21.60% / 安定化出力：22.20%
無添加などの対照群の効率	15.80%（無添加モジュール）	20.72%（対照モジュール）

両研究の数値から単純に性能の優劣を判断することはできない。まず、今回の54.80 ${\text{cm}}^2$は、直列接続したセル間の非発電領域（デッドエリア）を除いた「有効受光面積」である。一方、2025年の研究で示された57.20 ${\text{cm}}^2$は、モジュールの開口部全体を基準とする「アパーチャ面積」であり、効率の算出に用いる面積の定義が異なる。また、先行研究では独立した認定機関による21.60%の認定効率が報告されているのに対し、今回の22.70%は著者らによる測定値だ。製造工程にも違いがあり、今回スロットダイ塗布で形成したのはペロブスカイト吸光層のみで、電子輸送層や正孔輸送層を含む全層を塗布形成したものではない。

今回の研究で重要なのは、塗布から結晶化までの処理許容時間を広げることにより、大面積でも均一なペロブスカイト薄膜を形成できることを示した点にある。54.80 ${\text{cm}}^2$のモジュールで22.70%の変換効率を達成したことに加え、10 cm × 10 cm基板上でも素子間の効率のばらつきを抑えられたことは、大面積製造への展開を考える上で意味がある。一方、連続ロール・ツー・ロール工程への適用は将来的な目標であり、今回の論文では連続塗布ラインでの実機検証や製品歩留まり、塗布速度、製造コストの試算までは示されていない。

今後は、第三者認定機関によるモジュール変換効率の検証に加え、適切な封止を施したモジュールを実際の屋外環境で長期間動作させ、耐久性を評価する必要がある。今回確認された結晶化制御の効果を連続製造工程でも再現できるかが、研究室での成果を商業生産につなげる鍵となる。