オランダの研究機関が4端子タンデム・ペロブスカイト・シリコンソーラーパネルで変換効率30％超えを達成

オランダの様々な研究機関の研究者が共同で、太陽電池の発電効率について、“30%の壁”を破ったことが報告された。この成果は、世界的な太陽エネルギーの普及と化石燃料への依存度の低減に貢献するものである、とプレスリリースで述べられている。

ペロブスカイトとシリコンの組み合わせで“30％の壁”を破る

世界各国の政府が二酸化炭素排出量削減のために太陽エネルギーを推進しているにもかかわらず、この技術の導入はエネルギー変換効率によって制限されてきた。市販されているソーラーパネルのほとんどは、エネルギー変換効率が22パーセントにとどまっている。

この変換効率の改善は、同じ面積でより多くの電力を発電させられることに繋がり、エネルギーの供給力を高め、最終的な設置者の負担を下げることに繋がり、更なる普及を促進することにも繋がることから、世界中で研究が続けられている。。

2022年7月に、スイス連邦工科大学ローザンヌ校とCSEMの研究者がタンデム・シリコン・ペロブスカイト電池により太陽光発電による変換効率30％超えを達成していた。今回の成果はこれに続くものとなる。

30パーセントの壁を破る

オランダの研究者たちは、4端子のペロブスカイトとシリコンのタンデムデバイスを作製した。タンデムデバイスは、シリコン系太陽電池とペロブスカイト系太陽電池を混在させることで、太陽光スペクトルをうまく利用することができる。シリコン系太陽電池は可視光と赤外光を得意とするが、ペロブスカイトは紫外光と可視光の波長を利用できる。それぞれが得意とする波長を担当することで、変換効率の最適化を図るのだ。

また、4端子タンデム型では、上下のセルを独立して動作させることができるため、バイフェイシャルタンデム型として、さらに高出力を得ることができる。

プレスリリースによると、3×3平方mmの面積を持つ半透明ペロブスカイトセルの効率を最大19.7%まで向上させたとのことだ。この下に、幅20×20平方メートルのシリコン太陽電池を配置した。また、このタンデムデバイスは透明度の高いバックコンタクトを備えており、近赤外線の93％がデバイスの底部に到達することができる。

このシリコンデバイスは、多くの機能を用いて最適化され、その効率は10.4%に向上した。ペロブスカイト型太陽電池と合わせたエネルギー変換効率は30.1%で、これまでで最高レベルの効率となった。

ヨーロッパの研究者たちは、ペロブスカイト電池を他の既存技術と組み合わせることで、エネルギー効率を30%以上高めることができることを発見した。この目標を達成するために必要なコンポーネントが判明したことで、研究者たちは、材料とプロセスをどのようにスケールアップし、大量生産に持ち込めるかについて取り組む段階へと移行している。

ペロブスカイト太陽電池については、これまで問題とされてきた耐久性について、これを大きく引き上げる技術についての研究が発表され、ますます普及が加速していくことを感じさせられる。

研究者が開発したデバイスは、イタリアのETSIによって認証され、ミラノで開催された第8回太陽光発電エネルギー変換に関する世界会議（WCPEC-8）でその成果が発表された。また、この研究成果は、専門誌「Progress in Photovoltaics」に掲載されている。

概要

シリコンヘテロ接合（SHJ）太陽電池の高効率化には、（i）a-Si:Hによる優れた表面パッシベーションが不可欠である。これは、従来の単接合太陽電池の用途だけでなく、タンデムデバイスのボトムセルの用途においても重要である。本研究では、(i)a-Si:H成膜温度がパッシベーション品質とSHJ太陽電池の性能に及ぼす影響について調べた。140℃から200℃の低温では、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）により、（i）a-Si:H膜の密度が低く、表面パッシベーション能力を阻害していることが確認された。しかし、水素プラズマ処理（HPT）を追加することで、低温で成膜した(i)a-Si:H層は高温で成膜したものよりも大幅に改善し、優れたパッシベーション品質を示すようになった。一方、最も低い温度（140℃）で成膜した(i)a-Si:Hのセルで最も高いVOCを観測したにもかかわらず、関連するFFは高い温度の対応するセルと比較して劣っています。SHJセルのVOCとFFの最適なトレードオフは、160℃から180℃の温度範囲で見出され、23.71%の独立認証効率を達成した。さらにp層を改良し、FF83.3%を達成した場合、24.18%の効率を達成した。すなわち、界面再結合による損失を低減するための優れた表面パッシベーション品質と、電荷キャリアの収集を妨げないための欠陥の少ない(i)a-Si:Hバルクの2つである。