韓国の蔚山科学技術院（UNIST）エネルギー・化学工学部のSung-Yeon Jang教授が率いる研究チームは、量子ドット（QD）を用いた太陽電池で18.1％と言う世界最高効率を達成したことを発表した。

量子ドットは本質的に、光を吸収・放出する効率が非常に高い、小さな円形の半導体結晶である。量子ドットが相互作用する光の色は、その大きさを変えることで設定できるため、ディスプレイ技術やセンサーとして有用である。

昨年、量子ドットの発見と開発に携わった科学者たちにノーベル賞が授与されたことからも、この技術革新の重要性は明らかだ。

太陽電池では、現在主流のシリコンに代わり、ペロブスカイトの使用により、よりフレキシブルな太陽電池を実現する方法や、シリコンとのタンデム構造により30％を超える変換効率を実現した事などが報告されている。しかし、ペロブスカイトの生産が困難であることや、動作時の安定性が不安定であることから、ペロブスカイトの使用を拡大することは現時点では困難だ。

一方、ペロブスカイト量子ドット（PQD）は、ペロブスカイトを使用した太陽電池の規模拡大に代わる選択肢を提供する。数から数十ナノメートルの大きさのナノ結晶である量子ドットは、太陽電池内部の光電特性の制御を容易にするため、安定性が向上する。さらに重要なのは、その製造プロセスが比較的簡単で、単純な噴霧を伴うため、合理的な生産が可能であることだ。

今回の研究では、UNISTの研究者たちがレシピに少し手を加え、技術を向上させた。有機材料で作られた量子ドット太陽電池の理論効率は最高だが、残念なことに、太陽光や天候に対する安定性が低いという欠陥がある。それを回避するため、これらの太陽電池は通常、代わりに無機材料で作られるが、これでは効率に限界がある、と研究チームは言う。

UNISTの研究チームは、有機ペロブスカイトから量子ドットを作り、それを基板に固定する新しい方法を開発した。これにより効率は、2020年の16.6％から18.1％へと過去最高を記録した。この記録は、米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）が独自に評価したもので、NRELはさまざまな技術の効率を比較する表を作成し続けている。

さらに素晴らしいことに、新しい太陽電池ははるかに安定していた。通常状態で1,200時間、80℃の高温下で300時間、効率を維持した。また、2年間保管した後でも同様の性能を発揮した。

「我々の開発した技術は、量子ドット太陽電池において18.1％という驚異的な効率を達成しました。この驚くべき成果は、権威ある米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）が認めた量子ドット太陽電池の中で最高の効率に相当します。本研究は、有機PQDにおける配位子交換法の新たな方向性を提示し、将来のQD太陽電池材料研究分野に革命をもたらす触媒としての役割を果たします」と、Jang教授は述べている。

論文

• Nature Energy: Alkyl ammonium iodide-based ligand exchange strategy for high-efficiency organic-cation perovskite quantum dot solar cells

参考文献

• UNIST: Revolutionary Breakthrough in Solar Energy: World’s Most Efficient QD Solar Cells Developed
• Business Korea: UNIST Research Team Develops World’s Most Efficient Quantum Dot Solar Cell

研究の要旨

ハロゲン化鉛ペロブスカイト型コロイド量子ドット（PQD）は、太陽電池用の有望な光活性材料として登場したが、有機カチオン型PQDの方がより好ましいバンドギャップを持っているにもかかわらず、これまでの研究は主に無機カチオン型PQDに焦点を当ててきた。本研究では、バンドギャップの狭い有機カチオン系PQDを用いた太陽電池を開発し、無機カチオン系PQDと比較して大幅に高効率であることを実証する。ヨウ化アルキルアンモニウムベースの配位子交換戦略を採用し、従来の酢酸メチルベースの配位子交換よりも長鎖オレイル配位子の交換効率が大幅に高いことを証明するとともに、周囲条件下で有機PQDのα相を安定化させた。この有機カチオンPQDを用いた太陽電池は、18.1%という高い認証準定常効率を有し、開回路条件下での照明下で1,200時間の安定性を示し、80℃では300時間の安定性を示した。