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ミシガン大学化学工学部の研究者らは、ペロブスカイト太陽電池を長持ちさせる方法を開発した。研究者らは今回の発見によって、現在の薄膜太陽電池パネルよりも2倍から4倍も安価な太陽電池が実現できると主張している。

長寿命で安価な太陽電池の可能性

ペロブスカイト太陽電池は、高いエネルギー変換効率と製造コストの削減が期待できる新しいタイプの太陽電池技術である。ペロブスカイトの大量生産には、印刷やコーティングなどさまざまな技術が試みられてきた。しかし、この技術に内在するいくつかの問題により、実を結んでいない。

「シリコン太陽電池は非常に効率がよく、長寿命であるため素晴らしいものですが、効率が高い分、コストも高いのです。高純度のシリコンを作るには、摂氏1000度以上の高温が必要です。そうでなければ、効率はそれほど良くなりません」と、ミシガン大学のXiwen Gong助教授は説明する。

ペロブスカイトは低温で製造できるため、ソーラーパネルの代替品として有望である。しかし、ペロブスカイトは熱、湿気、空気にさらされると劣化する傾向があるため、寿命が短い。この制限が、ソーラーパネル産業における商業的競争力を制限している。

今回Gong助教授が発表した最新の研究では、ペロブスカイト太陽電池の安定性と寿命を向上させるには、かさばる「欠陥を鎮める」分子が最適であることが示唆されている。

ペロブスカイト結晶には、ペロブスカイト内の他の成分と完全に結合していない鉛原子が含まれている。このような「配位不足部位」は、結晶の表面や結晶格子の切れ目である粒界によく見られる欠陥である。これらの欠陥は電子の動きを妨げ、ペロブスカイト材料の劣化を加速させる。

これは、ペロブスカイトに添加剤を使い、配位不足の鉛を安定化させることで高温での欠陥形成を防ぐことで緩和できる事が知られている。しかし、それぞれの分子がペロブスカイト電池の耐久性に与える正確な影響については、これまで不明な点が多かった。

化学工学の元ポスドク研究員で、この研究の筆頭著者の一人であるHongki Kim氏は、「われわれは、ペロブスカイトの安定性を向上させる分子の特徴を明らかにしたかったのです」と語った。そこでGong助教授の研究チームは、光を電気に変換するペロブスカイト結晶膜に添加する、大きさや形の異なる3種類の添加剤をテストした。これらの添加剤は、化学的構成要素は似ているが、大きさ、重さ、配置が異なっていた。

Perovskite Additive Diagram
Gong助教授の研究チームは、ペロブスカイト薄膜の安定性に及ぼすサイズと配置の影響を研究するために、3種類の分子添加剤を設計した。これらの添加剤は、結晶粒界として知られるペロブスカイト結晶格子の切れ目での欠陥の成長を妨げ、最終的に太陽電池の効率を高める。最も嵩高い分子は、ペロブスカイト結晶粒の表面欠陥を効果的に覆い、同時に製造時の粒径を大きくする。結晶粒が大きいと粒界が少なくなり、潜在的な欠陥部位が減少する。(Credit: Carlos A. Figueroa Morales, Gong Lab, University of Michigan.)

研究チームは、さまざまな添加剤がペロブスカイトとどのように相互作用し、膜の欠陥形成に影響を与えるかを研究した。その結果、ペロブスカイト結晶との結合部位が質量比で多いため、より大きな分子の方が、ペロブスカイト結晶に付着する能力が高く、欠陥を防ぐのに有利であることがわかった。これを検証するため、研究チームは、ペロブスカイト膜を摂氏200度以上に加熱すると、かさばる添加剤が膜の特徴である黒色をより保持し、構造欠陥の発生をより少なくすることを発見した。

「この設計思想は、ペロブスカイト太陽電池、発光素子、光検出器の寿命をさらに向上させるために、さまざまなペロブスカイト製剤に応用できると考えています」と、高分子科学・工学の博士課程に在籍し、この研究の筆頭著者の一人であるCarlos Alejandro Figueroa Morales氏は語っている。


論文

参考文献

研究の要旨

低分子ベースのルイス塩基添加剤は、ペロブスカイトの熱安定性を向上させる欠陥パッシベーターとして研究されてきた。しかし、これらの添加剤は拡散性が高く、分子量が低いため、ペロブスカイトとの配位数が低く(Nc < 5)、熱応力下でペロブスカイトを効率的に安定化するには不十分であることが多い。ここでは、Nc(2-15)とMw(222.3 g/mol∼2071.6 g/mol)を制御可能な低分子パッシベーターを設計・合成した。我々は、添加剤のNc、Mw、および分子配置が、Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3ペロブスカイト薄膜の形態学的特性、光電子特性、および熱安定性にどのような影響を与えるかを系統的に調べた。NcとMwを高くすることで、大きな構造的障害を伴う場合、結晶粒径と欠陥の不動態化を同時に改善することができ、それによってペロブスカイトの全体的な光電子特性と熱安定性を改善できることがわかった。本研究により、ペロブスカイトにおける低分子添加剤の合理的な分子設計戦略が明らかになった。

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