NUS、新しい三接合タンデム太陽電池を発明

March, 12, 2024, Singapore--シンガポール国立大学(NUS)の研究チームは、1㎠の太陽エネルギー吸収面積で27.1%という世界記録の電力変換効率を達成し、これまでで最高の性能を発揮する新しい三接合ペロブスカイト/Siタンデム太陽電池を開発した。
これを達成するために、研究チームは、安定性とエネルギー効率に優れた新しいシアン酸塩一体型ペロブスカイト太陽電池を設計した。

太陽電池は、2層以上で製造し、組み立てて多接合型太陽電池を形成することで、効率を高めることができる。各層は異なる太陽電池材料でできており、異なる範囲で太陽エネルギーを吸収する。しかし、現在の多接合型太陽電池技術には、エネルギー損失による低電圧化や動作中のデバイスの不安定化など、多くの課題がある。

これらの課題を克服するために、Hou Yi助教は、NUS College of Design and Engineering(CDE)とSolar Energy Research Institute of Singapore(SERIS)の科学者チームを率いて、ペロブスカイト太陽電池へのシアン酸塩の集積に初めて成功し、他の同様の多接合の性能を凌駕する最先端の三接合ペロブスカイト/Siタンデム太陽電池を開発した。

「驚くべきことに、ペロブスカイトベース太陽電池の分野で15年間にわたって研究が続けられてきた結果、この研究は、ペロブスカイトにシアン酸塩を組み込んで構造の安定性を高め、電力変換効率を向上させるという初の実験的証拠となった」とHou助教は話している。

この画期的な発見に至った実験過程は、2024年3月4日にNature に掲載された。

エネルギー効率の高い太陽電池技術の創製
ペロブスカイト構造の構成要素間の相互作用によって、ペロブスカイトが到達できるエネルギー範囲が決まる。これらの成分の比率を調整したり、直接的な代替品を見つけたりすることで、ペロブスカイトのエネルギー範囲を変更することができる。しかし、これまでの研究では、超広エネルギー範囲と高効率のペロブスカイトレシピはまだ得られていなかった。

最近発表されたこの研究で、NUSチームは、ペロブスカイトで一般的に使用されているハロゲン化物基のイオンである臭化物の代替品として、新しい偽ハロゲン化物であるシアン酸塩を実験した。同助教チームの研究員、Dr Liu Shunchangは、様々な分析手法を用いて、ペロブスカイト構造へのシアン酸塩の集積に成功したことを確認し、シアン酸塩を集積したペロブスカイト太陽電池を作製した。

新しいペロブスカイトの原子構造をさらに分析し、シアン酸塩を組み込むことでペロブスカイト構造が安定化し、ペロブスカイト内で重要な相互作用が形成されるという実験的証拠が初めて得られ、ペロブスカイトベースの太陽電池においてシアン酸塩がハロゲン化物の代替として有力であることが実証された。

NUSの科学者たちは、性能を評価する際に、シアン酸塩を組み込んだペロブスカイト太陽電池は、従来のペロブスカイト太陽電池の1.357Vと比較して1.422Vの高電圧を達成し、エネルギー損失を大幅に削減できることを発見した。

チームは、新たに設計されたペロブスカイト太陽電池を、制御された条件下で最大出力で300時間連続運転させることもテストした。テスト期間後、太陽電池は安定しており、96%以上の容量で機能した。

シアン酸塩を集積したペロブスカイト太陽電池の優れた性能に勇気づけられたNUSチームは、この太陽電池を使用して三接合ペロブスカイト/Siタンデム太陽電池を組み立てることで、画期的な発見を次のステップに進めた。研究チームは、ペロブスカイト太陽電池とシリコン太陽電池を積層してデュアルジャンクションハーフセルを作成し、シアン酸塩を集積したペロブスカイト太陽電池を取り付けるのに理想的なベースを提供した。

チームは、三接合ペロブスカイト/Siタンデム太陽電池の構造が複雑であるにもかかわらず、安定していることを実証し、認定された独立した太陽光発電校正研究所から27.1%の世界記録を達成した。

「これらの進歩は、ペロブスカイト太陽電池のエネルギー損失を軽減するための画期的な洞察を提供し、ペロブスカイトベースのトリプルジャンクションソーラー技術のさらなる発展に新たな道筋をつけるものである」（Hou）。

次のステップ
三接合ペロブスカイト/Siタンデム太陽電池の理論効率は50%を超えており、特に設置スペースが限られているアプリケーションでは、さらなる強化の大きな可能性を秘めている。

今後、NUSチームは、効率と安定性を損なうことなく、この技術をより大きなモジュールにアップスケールすることを目指している。今後の研究では、ペロブスカイトの界面と組成におけるイノベーションに焦点を当てる。これらは、この技術をさらに発展させるためにチームが特定した重要な分野である。
（詳細は、https://news.nus.edu.sg/）