ソース:news.mit.edu
ペロブスカイトは、柔軟でテクスチャーのあるものを含むほとんどの表面に簡単に堆積できるソーラーパネルを作成する可能性を秘めています。 これらの材料は、軽量で安価に製造でき、主にシリコンである今日の主要な太陽光発電材料と同じくらい効率的です。 ペロブスカイト太陽電池は、研究と投資の増加の対象となっていますが、その可能性を活用しようとしている企業は、ペロブスカイト ベースの太陽電池が商業的に競争できるようになる前に、いくつかの残りのハードルに対処する必要があります。
ペロブスカイトという用語は、シリコンやテルル化カドミウムなど、太陽光発電分野の主要な候補である特定の材料を指すのではなく、化合物のファミリー全体を指します。 太陽光材料のペロブスカイト族は、1839 年に発見され、ロシアの鉱物学者 LA ペロフスキーにちなんで名付けられたペロブスカイトと呼ばれる鉱物と構造的に類似していることから名付けられました。
オリジナルの鉱物ペロブスカイトである酸化カルシウム チタン (CaTiO3) は、独特の結晶構造を持っています。 それは 3 つの部分からなる構造を持ち、そのコンポーネントは A、B、X とラベル付けされ、異なるコンポーネントの格子が織り交ぜられています。 ペロブスカイトのファミリーは、3 つの成分のそれぞれを占有し、元のペロブスカイト自体と同様の構造を形成することができる元素または分子の多くの可能な組み合わせで構成されています。 (一部の研究者は、似たような元素を持つ他の結晶構造を「ペロブスカイト」と名付けて規則を少し曲げていますが、これは結晶学者には嫌われています。)
「いくつかの制限はありますが、原子と分子を構造に混ぜて一致させることができます。たとえば、構造に大きすぎる分子を詰め込もうとすると、分子が歪んでしまいます。最終的には、3D 結晶が分離してしまう可能性があります。 2D の層状構造になるか、秩序だった構造が完全に失われます」と、MIT の機械工学教授であり、太陽光発電研究所の所長であるトニオ ブオナッシシは言います。 「ペロブスカイトは、自分で組み立てるタイプの結晶構造のように、高度に調整可能です」と彼は言います。
織り交ぜられた格子の構造は、イオンまたは荷電分子で構成され、そのうちの 2 つ (A と B) は正に帯電し、もう 1 つ (X) は負に帯電します。 通常、A イオンと B イオンのサイズは大きく異なり、A の方が大きくなります。
ペロブスカイトの全体的なカテゴリ内には、金属酸化物ペロブスカイトを含む多くの種類があり、触媒作用や、燃料電池や金属空気電池などのエネルギー貯蔵および変換に用途が見出されています。 しかし、ブオナシシ氏によると、10 年以上にわたる研究活動の主な焦点は、ハロゲン化鉛ペロブスカイトでした。
そのカテゴリ内にはまだ多くの可能性があり、世界中のラボは、効率、コスト、および耐久性において最高のパフォーマンスを示すバリエーションを見つけるという退屈な作業を急いで行っています。これはこれまでで最も困難でした。 3つの。
多くのチームは、環境への影響を回避するために、鉛の使用を排除するバリエーションにも注目しています。 しかしブオナシシ氏は、「一貫して、鉛ベースのデバイスはその性能を向上させ続けており、電子性能の点で他の構成に近づくものはありませんでした」と述べています。 代替案を模索する作業が続けられていますが、今のところハロゲン化鉛バージョンに匹敵するものはありません.
ペロブスカイトが提供する大きな利点の 1 つは、構造内の欠陥に対する耐性が高いことです、と彼は言います。 電子デバイスで適切に機能するために非常に高い純度を必要とするシリコンとは異なり、ペロブスカイトは多数の欠陥や不純物があっても十分に機能します。
ペロブスカイトの有望な新しい組成候補を探すことは、干し草の山から針を探すようなものですが、最近、研究者はこのプロセスを大幅に合理化できる機械学習システムを考案しました。 この新しいアプローチにより、新しい代替手段の開発が大幅に加速される可能性があると、その研究の共著者であるブオナシシは述べています。
ペロブスカイトは引き続き大きな可能性を示しており、いくつかの企業はすでに商用生産を開始する準備を進めていますが、耐久性は依然として彼らが直面している最大の障害です. シリコン ソーラー パネルは 25 年後も出力の最大 90% を保持しますが、ペロブスカイトははるかに速く劣化します。 大きな進歩がありました — 最初のサンプルは数時間しか持続せず、その後数週間または数ヶ月しか持続しませんでしたが、新しい製剤は最大数年の使用可能な寿命を持ち、寿命が不可欠ではない一部のアプリケーションに適しています.
Buonassisi 氏によると、研究の観点から、ペロブスカイトの利点の 1 つは、実験室で比較的簡単に作成できることです。つまり、化学成分が容易に組み立てられるということです。 しかし、それは彼らの欠点でもあります.「材料は室温で非常に簡単に結合します」と彼は言います.
この問題に対処するために、ほとんどの研究者は、さまざまな種類の保護材料を使用してペロブスカイトをカプセル化し、空気や湿気への露出から保護することに重点を置いています。 しかし、他の人は、より本質的に堅牢な製剤または治療法を見つけることを期待して、その劣化につながる正確なメカニズムを研究しています. 重要な発見は、自己触媒作用と呼ばれるプロセスが分解の主な原因であるということです。
自己触媒作用では、材料の一部が分解し始めるとすぐに、その反応生成物が触媒として働き、構造の隣接部分を分解し始め、暴走反応が進行します。 同様の問題は、有機発光ダイオード（OLED）などの他の電子材料に関する初期の研究にも存在し、最終的には原材料に追加の精製ステップを追加することで解決されたため、同様の解決策が次の場合に見つかる可能性があります。ペロブスカイト、Buonassisi は示唆しています。
Buonassisi と彼の共同研究者は最近、ペロブスカイトが少なくとも 10 年の使用可能な寿命に達すると、大規模なユーティリティでシリコンの代替品として経済的に実行可能にするのに十分な初期コストがはるかに低いことを示す研究を完了しました。ソーラーファームをスケールします。
全体として、ペロブスカイトの開発における進歩は印象的であり、有望であると彼は言います。 わずか数年の作業で、テルル化カドミウム (CdTe) のレベルに匹敵する効率を既に達成しています。 「この新しい素材でこれらのより高いパフォーマンスが達成されるのは、ほとんど驚くべきことです。」 1% の効率改善を達成するために費やされた研究時間を比較すると、ペロブスカイトの進歩は CdTe の進歩の 100 倍から 1 倍であり、000 倍速かったと彼は言います。 「それがとてもエキサイティングな理由の 1 つです」と彼は言います。