新設計でペロブスカイト太陽電池の安定性と効率を解決

November, 8, 2023, Lausanne--EPFLとノースウェスタン大学の研究チームは、ペロブスカイトソーラセルの画期的な設計を発表し、電力変換効率が25%を超える最も安定したPSCsの1つを実現し、将来の商業化への道を切り開いた。

ペロブスカイト太陽電池(PSCs)は、太陽エネルギーのイノベーションの最前線に立っており、その電力変換効率と費用対効果の高い製造で多くの注目を集めている。しかし、PSCsの商業化には、特に厳しい環境条件において、高効率と長期安定性の両方を達成するという、克服すべきハードルがまだ存在する。

ソリューションは、PSCsの層間相互作用にあり、これは諸刃の剣であることが証明されている。この層は、セルの性能を高めることができるが、日常生活で定期的に使用するには、セルの劣化が速すぎる原因にもなる。

現在、EPFLのMichael Gretzelとノースウェスタン大学のEdward Sargentの研究室の共同研究により、太陽エネルギー分野における最も差し迫った2つの課題に対処する、記録的な安定性と25%を超える電力変換効率を備えたPSCsの設計に大きな飛躍を遂げた。この研究成果は、Nature に掲載されている。

研究チームは、これまで動作安定性の面で有望視されていた倒立型PSCの設計に着目した。チームは、独自の「テクスチャード基板上にコンフォーマル自己組織化単層」を導入した。これは、不規則な表面を自発的かつ均一にコーティングする分子の特殊な単層である。

新しい設計は、分子が均一に広がるのではなく、凝集するときに発生する「分子凝集」の問題に取り組んでいる。これがソーラセルのテクスチャード表面で発生すると、そのパフォーマンスに深刻な影響を与える可能性がある。

これに対処するために、3-メルカプトプロピオン酸(3-MPA)という特殊な分子をソーラセルの自己組織化単分子膜(SAM)に導入し、ホスホン酸の分子層をカルバゾールに置き換えて形成し、ペロブスカイト膜に照明下で生成される正電荷キャリア(ホール)を選択的に抽出した。

とは言え、この役割はPAC分子の凝集によって損なわれる。3-MPAを添加すると、ペロブスカイト材料とソーラセルのテクスチャ基板との接触が強化され、パフォーマンスと安定性が向上し、分子状のカルバゾールクラスタを分解し、自己組織化単分子膜内の分子のより均一な分布を確保できる。この追加により、ソーラセル表面の分子がより均一に広がり、問題となる凝集物を回避し、PSCの全体的な安定性と効率を向上させる。

新しい設計により、層間の界面でのエネルギー損失を最小限に抑えながら光吸収が強化され、ラボで測定された電力変換効率は25.3%という驚異的な数値を実現した。安定性の面では、倒立型PSCsは目覚ましい回復力を示した。このデバイスは、65℃、相対湿度50%という過酷な条件に1000時間以上さらされた後でも、ピークパフォーマンスの95%を維持した。このレベルの安定性と高い効率の組み合わせは、PSCsの分野では前例がない。

この画期的な設計は、PSCsを市場に投入するための重要な一歩である。効率と安定性の両方の問題に対処し、現在のソーラセルと比較して製造コストが低いことと相俟って、広く採用される可能性がある。この新しい方法は、ソーラセルにとどまらず、LEDsやフォトディテクタなど、効率的な光マネージメントを必要とする他のオプトエレクトロニクスデバイスにも役立つ。