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2026/3/13
【ペロブスカイト太陽電池】産業技術総合研究所、NEDOのグリーンイノベーション基金事業にて高温環境でも、夏から冬の屋外暴露でも初期変換効率を維持
＜ポイント＞
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
表面温度が70 ℃にも達する夏季を含む長期間、熱劣化対策をしたサンプルの屋外暴露試験を実施
高い耐熱性と屋外耐久性を実証、ペロブスカイト太陽電池の実用化に一歩前進
概要
産業技術総合研究所（以下「産総研」）再生可能エネルギー研究センター ペロブスカイト太陽電池研究 神田広之主任研究員、村上拓郎研究チーム長は、一般販売されている有機材料（2‑フェニルピリジン※1または3-フェニルピリジン※2）を用い、ペロブスカイト太陽電池※3（PSC）の耐熱性と屋外耐久性向上を実証した。具体的には、PSCの構成層の1つ、正孔輸送層※4に少量の同材料を導入するだけで、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（概要図）。加えて、この材料を用いた正孔輸送層は容易に塗布できるため量産プロセスにも適している。高耐久化手法の開発により、PSCの社会実装の推進に貢献すると期待される。
なお、この技術の詳細は、2026年3月17日に第73回応用物理学会春季学術講演会にて発表される。
開発の社会的背景
PSCは、従来の太陽電池に比べて曲げなどの歪ひずみに強い特性を持ち、基材をフィルム化することで軽量化できると期待されている。また、曲面への設置が容易で、これまで導入が困難だった場所にも設置できるため、発電場所を大幅に拡大できる新しい太陽電池として注目されている。
PSCの実用化においては、耐熱性の向上が課題の1つとして挙げられる。太陽電池を屋外に設置した場合、太陽電池の表面温度は夏季に70 ℃以上に達す。高い変換効率を示すPSCも、多くの場合は耐熱性が低く、高温環境下（85 ℃）においてはわずか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り、問題となっていた。熱劣化の原因は、PSC構成層の1つ、正孔輸送層の劣化が原因であるとされており、実用化に向けて、劣化しにくい正孔輸送層の開発が求められている。
研究の経緯
産総研では、これまで高性能なPSCの開発を目指し、熱劣化が少ない正孔輸送層の開発を進めてきた。
PSCの正孔輸送層には、一般的に導電性を高めるための有機材料などが導入される。これにより、正孔輸送層の電荷輸送特性が改善されて太陽電池の発電効率が向上するため、PSCには必要不可欠なものとなっている。しかし、従来材料（4-tert-ブチルピリジン※5）ではPSCの熱劣化を避けられなかった。それは、高温環境下において、導入された材料が正孔輸送層からペロブスカイト層へと熱拡散し、正孔輸送層内部にボイド（空孔）を生じるため（図1左）。そのため、熱拡散を防ぎ、構造劣化を抑制できる材料の開発が急務となっており、研究ではこの課題に応える分子構造の探索を進めた。
なお、この研究開発は、NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）の委託事業「グリーンイノベーション基金事業／次世代型太陽電池の開発／次世代型太陽電池基盤技術開発事業／次世代型ペロブスカイト太陽電池の実用化に資する共通基盤技術開発」（JPNP21016、2021～2025年度）による支援を受けている。
研究の内容
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（図1左）。ペロブスカイト層においては、分子は窒素（N）の方向に熱拡散すると考えられる。熱拡散する方向に対して、分子構造が直線的な構造のため、ペロブスカイト層に容易に熱拡散することが判明した（図2左）。
そこで、拡散方向に対して直線的な構造ではない材料を用いることで、ペロブスカイト層への熱拡散を抑制できると考えた。この着想の下、図1右にあるような、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からなる2-フェニルピリジンを正孔輸送層に導入して耐熱試験を行ったところ、高い耐熱性を示すことが分かった。試験後のサンプルを調べると、正孔輸送層内にボイドが生成していないことが分かり、同材料の使用によって熱劣化の原因である熱拡散を抑制できることが示された（図2右）。これにより、PSCの耐熱性を大幅に向上させることに成功し、さらに2025年6月（夏季）～2026年2月（冬季）においても高い屋外耐久性を実証した（概要図）。また、この材料は正孔輸送層の導電性を大きく上げるうえ、容易に入手することが可能。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。
耐熱性を有する材料を探索するため、分子構造の異なる材料の検証を行った。まず、分子構造が異なる36種類の分子を選定し、各分子がPSCの耐熱性に与える影響を評価した（図3）。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がPSCの耐熱性に寄与するかを解析した。評価した物理物性としては、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挙げられる。ここでの分子の歪み具合とは、窒素（N）原子の位置に対して、置換基が何度の角度に位置するかを意味する。
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明らかになった。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（図3黄色枠左）または120度（図3黄色枠右）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成功した。
今後の予定
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。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する。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PSCを開発する。
＜参考文献＞
掲載誌：Nature Communications
論文タイトル：Heteroaryl derivatives for hole-transport layers improve thermal stability of perovskite solar cells
著者：Hiroyuki Kanda, Santa Mondal, Naoto Eguchi, Naoyuki Nishimura, Yoyo Hinuma, Kohei Yamamoto, Masaki Yumoto, Kenichi Tashiro, Hideyuki Takada, Aiko Narazaki, Takashi Koida, Takurou N. Murakami
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68236-9
＜関連特許＞
発明の名称：「ペロブスカイト太陽電池」
公開番号：WO/2026/018814
公開日：2026年1月22日
発明の名称：「ペロブスカイト太陽電池」
公開番号：WO/2026/018815
公開日：2026年1月22日
※1 2-フェニルピリジン
ピリジン環にフェニル基が結合した有機化合物。ピリジン環の窒素の位置に対して60度ねじれた位置関係（オルト位）でフェニル基が結合している。
※2 3-フェニルピリジン
ピリジン環にフェニル基が結合した有機化合物。ピリジン環の窒素の位置に対して120度ねじれた位置関係（メタ位）でフェニル基が結合している。
※3 ペロブスカイト太陽電池
ペロブスカイト結晶を発電層とする太陽電池。ペロブスカイト結晶内で吸収された光エネルギーは、正の電荷である正孔と負の電荷である電子を生成し、正孔輸送層および電子輸送層を通して正孔と電子を外部電極に取り出すことで電流と電圧が発生し、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
※4 正孔輸送層
発電層内で発生した正孔（ホール、正の電荷）を抽出し、電極に輸送するための層。ペロブスカイト太陽電池では有機p型半導体材料（Spiro-OMeTAD）などが用いられることが多い。
※5 4-tert-ブチルピリジン
ピリジン環にtert-ブチル基が結合した有機化合物。ペロブスカイト太陽電池の誕生初期から用いられてきた材料。ピリジン環の窒素と正反対の位置（パラ位）にtert-ブチル基が結合しており、全体の構造が直線的であることが特徴。
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