出典:news.northwestern.edu
本日（11月17日）サイエンス誌に掲載されたこの研究結果は、太陽光がエネルギーに変換される際の効率の損失を克服するための二重分子ソリューションについて説明しています。 最初に、表面再結合と呼ばれるものに対処する分子を組み込むことにより、チームは、電子が欠陥（表面上の欠損原子）に捕らえられたときに失われる、表面再結合と呼ばれるものに対処する分子と、層間の界面での再結合を妨害する 2 番目の分子を組み込むことにより、国家再生可能エネルギーを達成しました。 Energy Lab (NREL) は効率 25.1% を認定しましたが、以前のアプローチでは効率がわずか 24.09% に達していました。
「ペロブスカイト太陽電池技術は急速に進歩しており、研究開発の重点はバルク吸収体から界面に移りつつある」とノースウェスタン大学のテッド・サージェント教授は述べた。 「これは、効率と安定性をさらに向上させ、これまで以上に効率的な太陽光発電への有望なルートに近づくための重要なポイントです。」
サージェントは、ポーラ M. トリエネン持続可能性エネルギー研究所 (旧 ISEN) の共同執行役員であり、材料化学とエネルギー システムの学際的な研究者であり、ワインバーグ芸術科学大学の化学部門に任命されており、マコーミック工学部の電気およびコンピュータ工学科。
従来の太陽電池は高純度のシリコンウェーハで作られており、製造にエネルギーが大量に必要であり、太陽スペクトルの一定範囲しか吸収できません。
ペロブスカイト材料は、そのサイズと組成を調整して吸収する光の波長を「調整」できるため、有利で潜在的に低コスト、高効率の新興タンデム技術となります。
歴史的に、ペロブスカイト太陽電池は相対的に不安定であるため、効率を向上させるという課題に悩まされてきました。 過去数年間、サージェントの研究室などの進歩により、ペロブスカイト太陽電池の効率はシリコンで達成可能なものと同じ範囲内にまで達しました。
今回の研究では、研究チームはセルがより多くの太陽光を吸収できるようにするのではなく、効率を高めるために生成された電子を維持および保持するという問題に焦点を当てた。 ペロブスカイト層がセルの電子輸送層と接触すると、電子が一方から他方に移動します。 しかし、電子は外側に戻って、ペロブスカイト層上に存在する正孔を満たす、または「再結合」することができます。
「界面での組換えは複雑です」と、チャールズ・E・モリソンとエマ・H・モリソンのメルクーリ・カナツィディス化学教授が共同指導するサージェント研究室の博士研究員で、筆頭著者のチェン・リュー氏は語った。 「1 種類の分子を使用して複雑な再結合に対処し、電子を保持することは非常に困難です。そこで、どのような分子の組み合わせを使用すれば問題をより包括的に解決できるかを検討しました。」
サージェントのチームによる過去の研究では、PDAI2 という 1 つの分子が界面の再結合を解決するのに優れた働きをしているという証拠が発見されています。 次に、表面欠陥を修復し、電子が欠陥と再結合するのを防ぐ分子を見つける必要がありました。
PDAI2が二次分子と連携できるメカニズムを発見することで、チームは硫黄に絞り込んだ。硫黄は炭素基（通常、電子の移動を防ぐのが苦手）を置き換えて、欠落した原子をカバーし、再結合を抑制できる可能性がある。
「主に非放射性再結合損失が原因である逆ペロブスカイト太陽電池に見られる核となる非効率に対処する中で、太陽電池効率の新たな基準が設定されつつある」とノースウェスタン大学のメルクーリ・カナツィディス教授は述べた。 「これは、先端材料化学の分野がどのようにして新興ペロブスカイト太陽光発電技術のエネルギー変換効率と寿命を大幅に向上させることができるかを示す代表的な例です。」
カナツィディス氏は材料化学と持続可能なエネルギー ソリューションの分野の第一人者であり、ワインバーグ氏の化学部門とマコーミック氏の材料科学および工学部門で二重の任命を受けています。
「私たちの二分子戦略が、タンデム型太陽電池に有望なものを含む、さまざまなペロブスカイト組成に適用可能であることを示したことに興奮しています」と、化学の研究助教授で論文の共著者であるビン・チェン氏は述べた。
Nature に掲載された同じグループによる最近の論文では、セルが高温で長期間動作するのを助けるために、ペロブスカイト層の下の基板のコーティングを開発しました。 Liu 氏によれば、この解決策は Science 論文内の発見と連携して機能するとのことです。
研究チームは、自分たちの発見がより大きな科学コミュニティに研究を前進させ続けることを促すことを望んでいるが、彼らもまたフォローアップに取り組む予定である。
「複雑なインターフェースの問題を解決するには、より柔軟な戦略を採用する必要がある」とチェン氏は語った。 「以前のように、1 種類の分子だけを使用することはできません。2 種類の組換えを解決するために 2 つの分子を使用しますが、界面にはさらに多くの種類の欠陥関連の組換えがあると確信しています。より多くの分子が集まり、すべての分子が互いの機能を破壊することなく連携できるようになります。」
