研究により、次世代太陽電池設計のナノスケールの秘密が解明される

2024 年 2 月 28 日

(Nanowerkニュース) ペロブスカイト、特定の種類の結晶構造を持つ広範な種類の化合物は、今日のシリコンまたはテルル化カドミウム太陽電池パネルの有望な代替品または補足品として長い間考えられてきました。それらははるかに軽量で安価であり、紙や柔軟なプラスチックを含む事実上あらゆる基材にコーティングでき、簡単に持ち運びできるように丸めることができます。太陽光を電気に変換する効率において、ペロブスカイトはシリコンに匹敵しつつありますが、その製造には依然として長く複雑でエネルギーを大量に消費するプロセスが必要です。残された大きな欠点の 1 つは寿命です。シリコンソーラーパネルは 20 年以上使用できるのに対し、パネルは数か月から数年で故障する傾向があります。そして、大きなモジュール面積での効率は依然としてシリコンに遅れをとっています。今回、MIT および他のいくつかの機関の研究者チームは、ペロブスカイトデバイスのナノスケール構造を工学的に操作することにより、効率を最適化し、劣化をより適切に制御する方法を明らかにしました。この研究は、高効率ペロブスカイト太陽電池の製造方法に関する新たな洞察を明らかにし、また、これらの太陽電池を商業市場に投入することに取り組む技術者に新たな方向性を提供します。作品は日記に掲載されています 自然エネルギー (「ペロブスカイト薄膜の調整可能な表面場による再結合の低減」）、最近MITの博士研究員となり、現在はMITのスピンアウト企業Optigonの共同創設者兼最高科学責任者であるDane deQuilettes氏と、MIT教授のVladimir Bulovic氏とMoungi Bawendi氏、およびMITとワシントン州の他の10名による論文の中で、イギリスも韓国も。マドレーヌ・ライツさん（左）とデーン・デキレットさん MITの研究者チームと他のいくつかの機関は、ペロブスカイトデバイスのナノスケール構造を工学的に操作することによって、効率を最適化し、劣化をより適切に制御する方法を明らかにした。チームメンバーには、マドレーヌ・ライツ氏（左）と筆頭著者のデーン・ドゥキレット氏が含まれます。（写真：研究者提供）「10年前、太陽光発電技術の急速な発展に対する究極の解決策は何かと尋ねていたら、答えはシリコンと同じように機能し、製造がはるかに簡単なものだったでしょう」」とブローヴィッチは言う。「そして、私たちが気づかないうちに、ペロブスカイト太陽光発電の分野が登場しました。シリコンと同じくらい効率的で、紙にペイントするのと同じくらい簡単にペイントできました。その結果、現場は非常に興奮しました。」それにもかかわらず、「これまでに行ったことのない方法でこの素材を処理および管理するには、いくつかの重大な技術的課題があります」と彼は言います。しかし、その可能性は非常に大きいため、世界中で何百人もの研究者がこの技術に取り組んでいます。新しい研究では、ペロブスカイトが急速に劣化したり効率が低下したりしないように、材料の表面を「不動態化」して特性を変化させる方法という、非常に小さいが重要な詳細に焦点を当てている。「鍵となるのは、界面の化学的性質、つまりペロブスカイトが他の材料と接触する場所を特定することです」と、デバイスに電流が流れやすくするためにさまざまな材料がペロブスカイトの隣に積層されている場所について、Bulovic 氏は述べています。エンジニアは、例えば薄い不動態化コーティングを作成する溶液を使用するなどの不動態化の方法を開発しました。しかし、このプロセスがどのように機能するかについての詳細な理解が欠けていました。これは、より優れたコーティングの発見をさらに進めるために不可欠です。新しい研究は「これらのインターフェースを不動態化する能力に焦点を当て、なぜこの不動態化がうまく機能するのか、その背後にある物理学と科学を解明した」とブロヴィック氏は言う。研究チームは、世界中の研究所で利用可能な最も強力な機器のいくつかを使用して、ペロブスカイト層と他の材料の間の界面と、それらがどのように成長するかを前例のない詳細に観察しました。パッシベーションコーティングプロセスとその効果を綿密に調査した結果、「ペロブスカイトと隣接する材料の界面でのエネルギー調整を微調整するために何ができるかについて、これまでで最も明確なロードマップ」が得られ、全体的なパフォーマンスが向上するとブロヴィック氏は述べています。と言う。ペロブスカイト材料の大部分は完全に規則正しい原子の結晶格子の形をしていますが、この規則は表面で崩れます。余分な原子が突き出ていたり、原子が欠けている空孔が存在する可能性があり、これらの欠陥は材料の効率の損失を引き起こします。そこでパッシベーションが必要になります。「この論文は本質的に、こうした欠陥が多く存在する表面を調整して、表面でエネルギーが失われないようにする方法に関するガイドブックを明らかにするものです」とデクイレッツ氏は言う。「これはこの分野にとって本当に大きな発見です」と彼は言います。「これは、ペロブスカイトの表面場を体系的に制御および操作する方法を実証した最初の論文です。」一般的な不動態化方法は、表面を臭化ヘキシルアンモニウムと呼ばれる塩の溶液に浸すことです。この技術は、数年前に MIT でこの論文の共著者である Jason Jungwan Yoo PhD '20 によって開発されました。世界記録の効率。そうすることで、「欠陥のある表面の上に非常に薄い層が形成され、その薄い層が実際に多くの欠陥を非常によく不動態化します」とデクイレット氏は言います。「そして塩の一部である臭素は実際に制御可能な方法で三次元層に浸透します。」この侵入は、電子が表面の欠陥によってエネルギーを失うのを防ぐのに役立ちます。単一の処理ステップによって生成されるこれら 2 つの効果は、2 つの有益な変化を同時にもたらします。「通常は 2 つのステップでこれを行う必要があるため、これは本当に美しいです」と deQuilettes 氏は言います。パッシベーションにより、太陽光によって電子がはじき飛ばされた後の表面での電子のエネルギー損失が軽減されます。これらの損失は太陽光から電気への変換の全体的な効率を低下させるため、損失を削減することでセルの正味効率が向上します。そうすれば、太陽光を電気に変換する材料の効率が急速に向上する可能性がある、と彼は言う。 deQuilettes氏によると、単一ペロブスカイト層の最近の効率記録（そのうちのいくつかはMITで設定されたもの）は約24～26パーセントの範囲である一方、達成可能な理論上の最大効率は約30パーセントであるという。数パーセントの増加は大したことではないように聞こえるかもしれませんが、太陽光発電業界ではこのような改善が強く求められています。「シリコン太陽光発電産業では、効率が 0.5% 向上すれば、世界市場では数億ドルの価値があります」と彼は言います。シリコンセルの設計における最近の変化は、基本的に薄い不動態化層を追加し、ドーピングプロファイルを変更することにより、効率が約半分のパーセント向上します。その結果、「業界全体が変化しており、そこに到達するために急速に進もうとしています。」シリコン太陽電池の全体的な効率は、過去 30 年間で非常に小さな漸進的な改善しか見られなかった、と彼は言います。ペロブスカイトの記録的な効率は、主に、郵便切手サイズの小さな材料サンプルを使用した、管理された実験室環境で設定されています。「記録的な効率を商業規模に変えるには長い時間がかかります」とデキレット氏は言う。「もう 1 つの大きな希望は、この理解があれば、人々がこれらの不動態化効果をもたらすように広い領域をより適切に設計できるようになるということです。」不動態化塩には何百もの異なる種類があり、ペロブスカイトにはさまざまな種類があるため、この新しい研究によってもたらされる不動態化プロセスの基本的な理解は、研究者が材料のさらに優れた組み合わせを見つけるのに役立つ可能性があると研究者らは示唆しています。「材料を加工するにはさまざまな方法があります」と彼は言います。「私たちは商業用途におけるペロブスカイトの最初の実用的な実証の玄関口にいると思います」とブロヴィック氏は言う。「そして、それらの最初のアプリケーションは、数年後に私たちができるようになるものとは程遠いものになるでしょう。」同氏は、ペロブスカイトは「シリコン太陽光発電の置き換えとして見るべきではない」とも付け加えた。これは、太陽光発電のより迅速な導入を実現するもう一つの方法である増強と見なされるべきです。」「ペロブスカイト太陽電池を改善する表面処理の発見に関しては、過去 2 年間で多くの進歩が見られました」と、この研究には関与していないコロラド大学の化学工学教授、マイケル・マクギーは言う。「研究の多くは実証的なものであり、改善の背後にあるメカニズムは完全には理解されていません。この詳細な研究は、処理によって欠陥が不動態化されるだけでなく、デバイスの反対側で収集されるべきキャリアを反発する表面場も生成できることを示しています。