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ペロブスカイト太陽電池の弱点である“高温”を克服した画期的な方法

ペロブスカイト太陽電池は、これまでのシリコン太陽電池と異なり、軽くて曲げられることから様々な用途への応用の可能性が考えられ、次世代の太陽電池として期待を持たれている。

ハロゲン化有機金属ペロブスカイト材料と呼ばれる材料を用いて構築されるこの太陽電池は、太陽光を効率よく電気に変換するユニークな特性を持っており、安価で高効率の太陽エネルギーを提供できる可能性があるため、注目を集めている。

また、従来のシリコン太陽電池に比べ、ペロブスカイト太陽電池は、スピンコーティングやインクジェット印刷のような溶液処理法を用いることで、複雑で高価な技術を使わずに製造することができる事も利点だ。

だがその可能性にもかかわらず、ペロブスカイト太陽電池にはいくつかの課題がある。ペロブスカイト太陽電池は湿気に弱く、時間の経過とともに劣化する可能性がある。研究者たちは、その安定性と耐久性の改善に取り組んでいるが、この耐久性に関して、大きな改善が見られる可能性のある研究が発表された。

特殊な自己組織化単分子膜

香港城市大学化学科のZhu Zonglong教授は、ペロブスカイト太陽電池を、温暖な気候では目覚ましい性能を発揮するが、暑い日には電力変換効率が高いにもかかわらずオーバーヒートして機能が低下しがちなスポーツカーに例えた。これは、このセルが広く採用されるための重要な障壁であった。

研究チームは、これらの太陽電池に不可欠な部分である自己組織化単分子膜(SAM)に注目し、補強が必要な熱に弱いシールドであると想定した。

そのために、ペロブスカイト太陽電池の熱的不安定性を改善するため、ユニークなSAMを設計し、電荷抽出層として酸化ニッケル表面に固定することで、基板上でのSAMの結合エネルギーを高めるという革新的な解決策を導入した。また、彼らは独自の新しいSAM分子を合成し、ペロブスカイトデバイスにおいてより効率的な電荷抽出を促進する革新的な分子を作り出した。

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新規SAMの分子構造、SAM堆積法の概略図、SAMを用いたペロブスカイト太陽電池の光電変換性能。 (Credit: Professor Zhu Zonglong’s research group / City University of Hong Kong)

「私たちのアプローチは、太陽電池セルの熱的堅牢性を劇的に向上させました」と、Zhu教授は語った。

「熱に強い電荷抽出層を導入することで、我々の改良型セルは90%以上の効率を維持し、約65℃の高温下で1,000時間以上作動させた後でも25.6%という驚異的な効率率を誇っています。これは画期的な成果です」と、Zhu教授は述べている。

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熱に強い電荷抽出層を導入することで、改良されたセルは、約65℃の高温に長時間(1,200時間以上)さらされても、90%以上の効率を維持する。(Credit: Professor Zhu Zonglong’s research group / City University of Hong Kong)

太陽エネルギーの展望を変える

香港城市大学の研究チームは今回、新たに導入したSAMを用いてペロブスカイト太陽電池の熱安定性を高めることで、高温環境下でも良好に機能するための基礎を築いた。この開発は、太陽エネルギーの展望を完全に変える可能性がある。

「今回の発見は、ペロブスカイト太陽電池の普及を妨げていた大きな障害に対処するものであり、今回の画期的な成果は極めて重要です。私たちの発見は、ペロブスカイト太陽電池の用途を大幅に拡大し、高温が障害となっていた環境や気候への応用の限界を押し広げる可能性があります」とZhu教授は語った。

ペロブスカイト太陽電池は、太陽エネルギー分野に革命を起こす大きな可能性を秘めています。ペロブスカイト太陽電池が広く確立された太陽電池技術に利用されることで、再生可能エネルギーの生産価格が劇的に低下し、クリーンエネルギーが世界的に利用しやすくなる可能性があります。このように、ひとたび完全に開発され商業化されれば、この新技術は化石燃料への依存を大幅に減らし、太陽光発電を主流にすることで世界的な気候変動による大災害に取り組む一助となるかもしれない。


論文

参考文献

研究の要旨

P-i-n型ペロブスカイト太陽電池(PSC)は、n-i-p型に比べ、製造が簡素化され、電荷抽出層への適合性が高く、低温処理が可能である。自己組織化単分子膜(SAM)はp-i-n太陽電池の性能を向上させるが、極薄SAMは熱的に不安定である。われわれは、NiOx/ペロブスカイト界面を改善し安定化させることができる、表面固定型(4-(3,11-ジメトキシ-7H-ジベンゾ[c,g]カルバゾール-7-イル)ブチル)ホスホン酸(MeO-4PADBC)SAMと酸化ニッケル(NiOx)ナノ粒子膜からなる熱的に頑健な正孔選択層を報告する。NiOx/MeO-4PADBCとペロブスカイト間のエネルギッシュな整列と良好な接触・結合は、様々なペロブスカイト組成を持つPSCの電圧不足を減少させ、熱応力下で強い界面強靭化効果をもたらした。得られた1.53電子ボルトのデバイスは、25.6%の認証電力変換効率を達成し、1太陽照明下で1200時間65℃で連続動作させた後も初期効率の90%以上を維持した。

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