ペロブスカイト太陽電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）は高光電変換効率（PCE）、低コスト製造などの優位性により、光起電力分野の研究の焦点となっている。しかしながら、オープン電圧（Voc）損失その効率が理論の限界に迫ることを制約する核心的ボトルネックの一つである。Voc損失とは、電池の実際のVocと「Shockley-Queisser（S-Q）限界Voc」（材料バンドギャップに基づく理論）上限（じょうげん）Voc）の差は、その出所とメカニズムを深く理解し、電池性能を最適化する鍵となる。

一、Voc損失の理論基礎：S-Q限界から実際値まで

Voc損失を理解するには、まず「理論Voc」と「実際のVoc」の違いを明確にする必要があります。

·S−Q限界Voc：理想的なPN接合モデルに基づいて、材料バンドギャップ（Eg）、温度（T）と太陽スペクトルだけで決定され、式は：

ここで、JSC短絡電流密度として、J』₀実際の暗飽和電流密度（キャリア再結合、界面障壁などの非理想的要素の顕著な増大）である。

Voc損失の本質：非理想的な要因によるものJ』₀理想よりはるかに大きいJ₀、または光キャリア分離／輸送効率が低下し、＊最終的に実際のVocをS−Q限界未満にする。

二、Voc損失の核心源とメカニズム

損失が発生する「物理的位置」と「作用節」によって、Voc損失をこゆうそんしつ（ペロブスカイトバルクによる）とひこゆうそんしつ（界面、欠陥、キャリア輸送層による）、具体的なメカニズムは以下の通り：

（一）固有損失：ペロブスカイト本体の固有特性

固有損失はペロブスカイト材料自体の電子構造、キャリア動力学によって決定され、不可能である全て除去される「基礎的損失」には、主に次の2種類が含まれます。

1.バンドギャップ−Voc固有オフセット（非放射再結合の「＊低限界」）

理想的には、Vocは「バンドギャップに対応する電圧」（（Eg/q、例えばFAPbI₃のEg/q≒1.48 V）であるが、欠陥のない優秀ペロブスカイト、VocもこゆうひほうしゃふくごうEg/q未満：

· 物理的本質：ペロブスカイトの価電子帯頂（VBM）と伝導帯底（CBM）には「電子状態尾」（Urbach尾）が存在し、格子振動（フォノン）または電子−電子相互作用に由来し、キャリアは「サブバンドギャップ遷移」非放射再結合（例えばCBMからVBM付近の尾状態に電子が遷移し、フォノンを介してエネルギーを放出する）を通過することができる。

· 損失振幅：このような固有損失は通常0.1〜0.2V（例えば、Eg=1.5 eVのペロブスカイト、固有Voc下限約1.3 ~ 1.4 V）は、S−Q限界VocとEg/qの差分源である。

2.キャリア非放射再結合（バルク欠陥主導）

ペロブスカイト本体のこゆうけっかん（空格子点、隙間原子など）は「複合中心」を形成し、光生成キャリアの非放射再結合を加速し、直接Vocの低下を招く：

典型的な欠陥タイプ：

· よう素空格子点V_私は⁺：ヨウ化メチルアミジン鉛（FAPbI₃）またはヨウ化メチルアミジンセシウム鉛（FACsPbI₃）に*よく見られ、浅いエネルギー準位欠陥を形成し、キャリア捕捉能力に弱いが、複合寿命を延長し、間接的にVocを低下させる、

· 鉛空格子点V_{Pb の}^2-またはヨウ素ギャップ原子私は_i^-：深いエネルギー準位欠陥を形成し、効率的に電子/正孔を捕獲できる（例えばV_{Pb の}^2-)が正孔を捕獲し、私は_i^-電子を捕獲）し、その後「Shockley-Read-Hall（SRH）複合」を通じて非放射失活し、バルクVoc損失の主な貢献者である。

· 損失特性：本体欠陥密度が高いほど（通常は「欠陥状態密度Nt」測定）、非放射再結合速度が速いほど、J'0大きいほど、Voc損失は顕著になる（例えば、欠陥密度が（10 ^ 15 cm ^−3）から10 ^ 17 cm ^−3に増加し、Vocは0.05 ~ 0.1 V低下する）。

（二）非固有損失：界面とデバイス構造による損失

非真性損失はペロブスカイトとキャリア輸送層（電子輸送層ETL、正孔輸送層HTL）の界面、電極接触、または輸送層自体の欠陥に由来し、現在最適化されているコア方向であり、総Voc損失の60%以上を占めている。

1.ペロブスカイト／輸送層界面の非放射再結合（＊主な非固有損失）

ペロブスカイトとETL（TiOなど）₂・SnO₂）、HTL（Spiro-OMeTAD、PTAAなど）の界面はキャリア分離の重要な領域であるが、「エネルギー準位不整合」「界面欠陥」により非放射複合の「被災地」にもなっている：

（1）エネルギー準位不整合による再結合
理想的な界面は「エネルギー準位整列」（例えばETLの伝導帯底はペロブスカイトCBMより低く、HTLの価電子帯はペロブスカイトVBMより高い）を満たし、キャリア分離を促進する必要がある、エネルギー準位が一致しない場合は、バリアまたはトラップが形成されます。

· ケース1：ETL（TiOなど）₂）伝導帯底が高すぎる（ペロブスカイトCBMとの差＜0.1 eV）→電子がペロブスカイトからETLを注入しにくく、滞留した電子と正孔が界面で複合する、

· ケース2：Spiro−OMeTADのようなHTL（価電子帯頂部）が低すぎる（ペロブスカイトVBMとの差<0.1 eV）→正孔がHTLに注入しにくく、界面正孔が蓄積し、電子と再結合する。

· 損失振幅：エネルギーレベル不整合によるVoc損失を達成可能0.05〜0.15 V（例えばTiO₂/ペロブスカイト界面はエネルギー準位不整合のため、VocはSnOより₂/ペロブスカイト界面は0.08〜0.1 V低い）。

（2）界面欠陥による複合

ペロブスカイトと輸送層の界面には大量の「ダングリングボンド」「格子不整合欠陥」または「化学吸着不純物」（Oなど）が存在する₂・H₂O），深準位複合中心を形成する：

· 典型的な欠陥：TiO₂表面の酸素空孔V_o²⁺ペロブスカイト中の電子を捕獲し、HTL伝送の正孔と再結合する。ペロブスカイト表面のPb²⁺未配位欠陥（ダングリングボンド）は、ETLとの電子再結合により正孔を捕捉する。

· 損失特徴：界面非放射再結合速度は本体よりはるかに高く（界面キャリア濃度が高く、欠陥密度が高いため）、低効率PSCs Voc損失の主な原因である（例えば、界面を修飾していないPSCs、Voc損失は0.3 ~ 0.4 Vに達することができる）。

· 損失幅：輸送層によるVoc損失は通常0.03 ~ 0.1 V（例えばSnO₂ETLをドーピングして最適化すると、Vocは0.05 ~ 0.08 V上昇する）。

2.キャリア輸送層（ETL/HTL）の損失

ETLまたはHTL自体の「導電性が悪い」「欠陥が多い」とキャリア輸送が阻害され、間接的にVocが低下することがあります：

· 導電性が悪い：HTL（Spiro-OMeTADなど）の正孔移動度が低い場合（<10⁻⁴センチメートル²（V）・s)），正孔はHTL中に蓄積され、界面電子−正孔再結合確率の増加を招く、

· 自己欠陥：ETL（SnOなど）₂）内のSn²⁺欠陥は電子トラップを形成し、ペロブスカイトから注入された電子を捕獲し、電子輸送効率の低下、Vocの低下を招く、

· 損失幅：輸送層によるVoc損失は通常0.03〜0.1 V（例えばSnO₂ETLをドーピングして最適化すると、Vocは0.05 ~ 0.08 V上昇する）。

3.電極接触損失

Au、Agなどの金属電極とHTLの接触抵抗が大きすぎたり、電極がペロブスカイトに直接接触したり（輸送層がない場合）、キャリア再結合を引き起こすことがあります：

· 接触抵抗：HTLとAu電極の接触抵抗＞10Ω・cm²，正孔はHTLから電極に注入しにくく、正孔の蓄積、再結合の増加を招く、

· 直接接触：金属電極のフェルミ準位はペロブスカイト準位と整合せず、「ショットキー障壁」を形成し、キャリア輸送を阻害し、同時に金属原子（例えばAu）がペロブスカイト中に拡散して欠陥を形成し、複合を激化させる可能性がある、

· 損失振幅：電極接触損失は通常小さい（0.02〜0.05 V）があるが、劣化電極の製造（例えば、Au蒸着時の温度が高すぎる）は損失を著しく増大させる。

三、Voc損失の量子化と特性化方法

Voc損失の正確な量子化と位置決めは、最適化の前提である。一般的なキャラクタリゼーション技術は、「マクロ損失量子化」と「ミクロメカニズム解析」の2種類に分けることができる：

四、Voc損失の最適化戦略

上述の損失源に対して、現在主流の最適化方向は「非放射再結合の抑制」と「エネルギー準位の整列の最適化」に焦点を当て、具体的な策略は以下の通りである：

1.本体欠陥の不動態化：固有損失の低減

· カチオンドーピング：Cs⁺・RB⁺FAの一部置換⁺（例えばFACsPbI₃）、ペロブスカイト格子歪みを抑制し、Vを減少する_私は⁺・V_{Pb の}^2-欠陥、

· アニオンドーピング：Br⁻部分置換I⁻（例えばFAPbI₂Br），Urbach尾幅を狭くし、固有非放射再結合を低減する、

· 欠陥不動態化剤：ペロブスカイト前駆体にグアニジン塩（例えばGuaI）、チオ尿素などを添加し、配位作用（例えばNとPb²⁺結合）不動態化表面／バルク相欠陥。

2.界面工事：非真性コア損失の除去

· 界面不動態化：Alを用いた₂O型₃、LiFなどの無機層、またはPCBM、PEAIなどの有機分子がETL/ペロブスカイト、ペロブスカイト/HTL界面を修飾し、ダングリングボンドを埋め、欠陥複合を抑制する（例えばPEAIがペロブスカイト表面を修飾し、Vocを0.1 ~ 0.15 V上昇させることができる）、

· エネルギーレベル調整：ETLドーピング（例えばSnO₂ドープW⁶⁺伝導帯底）、HTL変性（PTAAドープLiTFSIによる正孔移動度の向上など）を低減し、界面エネルギー準位の整列を最適化し、キャリア分離を促進する。

3.輸送層の最適化：キャリア輸送効率の向上

· ETL最適化：SnOで₂代替TiO₂（SNO）₂伝導帯底はより低く、エネルギー準位整合がより良い）、またはALD（原子層堆積）により緻密で低欠陥のETLを製造する、

· HTL最適化：NiOなどの高移動度HTLの開発ₓ無機HTL、移動度>10⁻²センチメートル²（V）・s)），Spiro-OMeTADの代わりにHTL欠陥と抵抗を減らす。

4.デバイス構造革新：接触損失の低減

· 無正孔輸送層（HTL-free）構造：炭素電極を用いてペロブスカイトに直接接触し、HTL欠陥とコスト問題を回避する、

· 全無機構造：CsPbI₃ペロブスカイト+無機ETL/HTL（TiOなど）₂ニオₓ）、安定性を向上させると同時に有機層による界面複合を減少させる。

五、総括と挑戦

ペロブスカイト太陽電池のVoc損失は、「固有特性」と「非固有素子欠陥」の共同作用の結果であり、ここで界面非放射再結合和バルク欠陥再結合は現在の主な損失源です。「欠陥不動態化」「界面工学」「エネルギー準位最適化」により、現在高PSCsまでのVocは初期の0.9 Vから1.2 V以上（Eg≒1.5 eVに基づくペロブスカイト）に引き上げられているが、S−Q限界まで0.15 ~ 0.2 Vの最適化空間が残っている。

将来の課題：

1. 量子閉じ込め効果によるUrbachテールの狭窄などの「固有非放射損失」をさらに低減する方法、

2. 長期安定な不動態化層を開発し、不動態化剤が光照射/湿熱条件下で失効することを避ける、

3. 大面積デバイスにおけるVoc損失の均一な制御（現在の高効率デバイスの多くは小面積であり、大面積界面欠陥はより多く、Voc損失はより大きい）を実現する。

Voc損失機構を深く理解し、的確に最適化することは、ペロブスカイト電池効率が30%（S−Q限界約33%）を突破する鍵である。