出典：cei.washington.edu/
ペロブスカイトとは
ペロブスカイトは、最初に発見されたペロブスカイト結晶であるチタン酸カルシウム鉱物と同じ結晶構造を持つ材料です。 一般的に、ペロブスカイト化合物の化学式はABXです。3ここで、「A」と「B」は陽イオンを表し、Xは両方に結合する陰イオンです。 多数の異なる元素を組み合わせて、ペロブスカイト構造を形成することができます。 この組成の柔軟性を使用して、科学者はペロブスカイト結晶を設計して、さまざまな物理的、光学的、および電気的特性を持たせることができます。 ペロブスカイト結晶は、今日、超音波装置、メモリチップ、そして今では太陽電池に見られます。
ペロブスカイト結晶構造の概略図。 （ウィキメディアコモンズ）
ペロブスカイトのクリーンエネルギーへの応用
すべての太陽光発電太陽電池は、光から電気にエネルギーを変換するために、半導体（ガラスなどの電気絶縁体と銅などの金属導体の間の中間にある材料）に依存しています。 太陽からの光は、半導体材料内の電子を励起します。電子は、導電性電極に流れ込み、電流を生成します。
シリコンは、その半導体特性が太陽光線のスペクトルとよく一致し、比較的豊富で安定しているため、1950年代から太陽電池で使用される主要な半導体材料でした。 しかし、従来のソーラーパネルで使用されている大きなシリコン結晶は、多くのエネルギーを利用する高価な多段階の製造プロセスを必要とします。 代替案を探す中で、科学者たちはペロブスカイトの調整可能性を利用して、シリコンと同様の特性を持つ半導体を作成しました。 ペロブスカイト太陽電池は、印刷などの単純な付加堆積技術を使用して、わずかなコストとエネルギーで製造できます。 ペロブスカイトの組成の柔軟性により、太陽のスペクトルに理想的に一致するように調整することもできます。
2012年、研究者たちは、光吸収層としてハロゲン化鉛ペロブスカイトを使用して、光子から電子への変換効率が10％を超える安定した薄膜ペロブスカイト太陽電池を作成する方法を最初に発見しました。 それ以来、ペロブスカイト太陽電池の太陽光から電力への変換効率は急上昇し、実験室の記録は25.2％に達しています。 研究者はまた、ペロブスカイト太陽電池を従来のシリコン太陽電池と組み合わせています。これらの「シリコン上のペロブスカイト」タンデムセルの記録効率は現在29.1％（従来のシリコンセルの記録27％を超えています）であり、急速に上昇しています。 セル効率のこの急速な急上昇により、ペロブスカイト太陽電池とペロブスカイトタンデム太陽電池は、従来のシリコン太陽電池に代わる安価で高効率の代替品になる可能性があります。
ペロブスカイト太陽電池の断面図。 （クリーンエネルギー研究所）
現在の研究目的は何ですか？
シリコンタンデム上のペロブスカイトを含むペロブスカイト太陽電池は、世界中の数十の企業によって商品化されていますが、その性能、信頼性、および製造可能性を向上させることができる、取り組むべき基本的な科学および工学的課題がまだあります。
一部のペロブスカイト研究者は、ペロブスカイトの欠陥を特徴づけることにより、変換効率を押し続けています。 ペロブスカイト半導体は非常に欠陥耐性がありますが、欠陥は依然としてパフォーマンスに悪影響を及ぼします。特に、活性層の表面で発生する欠陥はそうです。 他の研究者は、特定の用途（タンデムセルスタックなど）に合わせて電子特性を調整するため、または安定性と寿命をさらに改善するために、新しいペロブスカイト化学製剤を模索しています。
研究者はまた、ペロブスカイトを環境から保護し、加速劣化試験を使用してペロブスカイト太陽電池が屋上でどのように持続するかを予測できるように、新しいセル設計、新しいカプセル化戦略に取り組んでいます。 ペロブスカイトの「インク」を確立された大規模な溶液印刷方法に適合させる方法など、さまざまな製造プロセスを急速に模索している企業もあります。 最後に、今日、最高性能のペロブスカイトは少量の鉛で作られていますが、研究者は鉛の毒性に関連する懸念を軽減するために、代替の組成物と新しいカプセル化戦略も模索しています。
CEIはペロブスカイトをどのように進めていますか？
ペロブスカイト結晶は、太陽変換効率を低下させる可能性のある原子スケールの欠陥を示すことがよくあります。 CEIのチーフサイエンティスト兼化学教授であるDavidGingerhasは、ペロブスカイトをさまざまな化合物で処理してこれらの欠陥を修復する「不動態化」技術を開発しました。 しかし、ペロブスカイト結晶が太陽電池に組み立てられると、集電電極が追加の欠陥を生み出す可能性があります。 2019年、ジョージア工科大学のGingerと共同研究者は、米国エネルギー省のソーラーエネルギーテクノロジーオフィス（SETO）から資金提供を受け、新しいパッシベーション戦略と新しい電荷収集材料を開発し、ペロブスカイト太陽電池が互換性を維持しながら最大限の効率を達成できるようにしました。低コストの製造で。
化学教授のDanielGamelinと彼のグループは、従来のシリコンセルの33％の変換という理論上の制限を回避して、ペロブスカイトコーティングでシリコン太陽電池を変更して青色光の高エネルギー光子をより効率的に収集することを目指しています。 Gamelinと彼のチームは、高エネルギー光子を吸収し、2倍の低エネルギー光子を放出できるペロブスカイト量子ドット（人間の髪の毛の数千分の1の小さな粒子）を開発しました。これは「量子切断」と呼ばれるプロセスです。 太陽電池に吸収された各光子は1つの電子を生成するため、ペロブスカイト量子ドットコーティングは変換効率を劇的に向上させる可能性があります。
Gamelinと彼のチームは、この技術を商業化するためにBlueDotPhotonicsと呼ばれるスピンオフ会社を設立しました。 GamelinとBlueDotは、SETOからの資金提供を受けて、大面積太陽電池用のペロブスカイト材料の薄膜を作成し、従来のシリコン太陽電池を強化するための堆積技術を開発しています。
化学工学の教授であるHughHillhouseisは、機械学習アルゴリズムを使用してペロブスカイトの研究を支援しています。 ヒルハウスと彼のグループは、高速ビデオでキャプチャされたフォトルミネッセンスを使用して、さまざまなハイブリッドペロブスカイトの長期安定性をテストしています。 これらの実験は膨大なデータセットを生成しますが、機械学習を使用することにより、ペロブスカイト太陽電池の劣化の予測モデルを生成することを目的としています。 このモデルは、ペロブスカイト太陽電池の化学的構成と構造を最適化して、長期的な安定性を実現するのに役立ちます。これは、商業化の重要な障壁です。
CEIが運営するオープンアクセスラボ施設であるワシントンクリーンエネルギーテストベッドでは、研究者や起業家が最先端の機器を利用して、ペロブスカイト太陽電池などの技術を開発、テスト、スケーリングできます。 テストベッドでロールツーロールプリンターを使用すると、ペロブスカイトインクを低温でフレキシブル基板に印刷できます。 テストベッドテクニカルディレクターJ. デビンマッケンジー、材料科学&アンプの教授。 ワシントン大学のエンジニアリングと機械工学は、高スループットで低カーボンフットプリントの製造のための材料と技術の専門家です。 彼のグループの最も活発なプロジェクトの1つは、同じくSETOの資金提供を受けて、ロールツーロール印刷中に急速に堆積するペロブスカイト結晶の成長を測定できるinsitu機器の開発です。マッケンジーのグループは、地球豊富な材料（JCDREAM）の研究でもあり、世界最高解像度のプリンターを使用して、太陽光がセルに入るのを妨げることなくペロブスカイト太陽電池から電流を引き出す新しい電極を開発しています。
ワシントンクリーンエナジーテストベッドテクニカルディレクターJ.デビンマッケンジーは、フレキシブルエレクトロニクス用のテストベッドの多段ロールツーロールプリンターのデモを行います。 （クリーンエネルギー研究所）