科学者は次世代のソーラー技術の安定性と効率を向上させます

出典：oist.jp

沖縄科学技術大学院大学（OIST）の研究者たちは、高効率で安定性の高い次世代の太陽電池モジュールを開発しました。ペロブスカイトと呼ばれる種類の材料を使用して作られたこれらのソーラーモジュールは、2000時間以上も高い性能を維持できます。彼らの調査結果は、2020年7月20日に主要ジャーナルNature Energyで報告され、商業化の見通しを明るくしています。

ペロブスカイトには、ソーラーテクノロジー産業に革命を起こす可能性があります。柔軟性と軽量性により、現在市場を支配している重くて硬いシリコンベースのセルよりも多様性を約束します。しかし、科学者はペロブスカイトを商品化する前にいくつかの主要なハードルを克服しなければなりません。

「ペロブスカイトが満たす必要のある条件は3つあります。それらは製造が安価で、効率が高く、寿命が長い必要があります」とOISTの責任者であるYabing Qi教授は述べています。エネルギー材料・表面科学ユニット、この研究を主導した。

ペロブスカイト太陽電池のデモ

安価な原材料は処理にほとんどエネルギーを必要としないため、ペロブスカイト太陽電池の製造コストは低くなります。そして、10年余りの間に、科学者たちはペロブスカイト太陽電池が太陽光を電気に変換する効率を改善することに大きな進歩を遂げ、現在、シリコンベースのセルの効率レベルに匹敵するレベルになっています。

しかし、小さな太陽電池からより大きな太陽電池モジュールに拡大すると、ペロブスカイトの効率レベルは急激に低下します。商業用ソーラー技術は、数フィートの長さのソーラーパネルのサイズで効率を維持する必要があるため、これには問題があります。

「スケールアップは非常に厳しいものです。材料の欠陥がより顕著になるため、高品質の材料とより優れた製造技術が必要です」と、この研究の共著者であるルイスオノ博士は説明しました。

ペロブスカイトの不安定性は、徹底的に調査されているもう1つの重要な問題です。商業用太陽電池は何年もの動作に耐えることができる必要がありますが、現在ペロブスカイト太陽電池は急速に劣化します。

レイヤーを構築する

OIST技術開発およびイノベーションセンターの概念実証プログラムによってサポートされているチー教授のチームは、新しいアプローチを使用してこれらの安定性と効率の問題に取り組みました。ペロブスカイトソーラーデバイスは複数の層で構成されており、それぞれに特定の機能があります。 1つの層だけに焦点を当てるのではなく、デバイスの全体的なパフォーマンスと、層が互いにどのように相互作用するかを調べました。

日光を吸収するアクティブなペロブスカイト層は、他の層の間に挟まれたデバイスの中央にあります。光の光子がペロブスカイト層に当たると、負に帯電した電子がこのエネルギーを利用してより高いエネルギーレベルに「ジャンプ」し、電子が使用されていた正に帯電した「ホール」が残ります。これらの電荷は、反対方向に活性層の上下の電子および正孔輸送層にそらされます。これにより、電極を介してソーラーデバイスを離れることができる電荷または電気の流れが生じます。デバイスは、劣化を減らし、有毒な化学物質が環境に漏れるのを防ぐ保護層によってカプセル化されています。

この研究では、科学者たちは22.4 cm2のソーラーモジュールを使用しました。

科学者たちはまず、2つの層の間にEDTAKと呼ばれる化学物質を追加することにより、ペロブスカイト活性層と電子輸送層の間の界面を改善しました。彼らは、EDTAKが酸化スズ電子輸送層がペロブスカイト活性層と反応するのを防ぎ、ソーラーモジュールの安定性を向上させることを発見しました。

EDTAKは、ペロブスカイト太陽電池モジュールの効率も2つの異なる方法で改善しました。まず、EDTAKのカリウムがアクティブなペロブスカイト層に移動し、ペロブスカイト表面の小さな欠陥を「修復」しました。これにより、これらの欠陥が移動する電子と正孔をトラップするのを防ぎ、より多くの電気を生成することができました。 EDTAKは、酸化スズ電子輸送層の導電特性を強化することによってパフォーマンスも向上させ、ペロブスカイト層から電子を収集しやすくしました。

科学者たちは、ペロブスカイト活性層と正孔輸送層の間の界面に同様の改善を加えました。今回は、層間にEAMAと呼ばれるタイプのペロブスカイトを追加しました。これにより、正孔輸送層が正孔を受け取る能力が向上しました。

EAMA処理されたデバイスは、湿度と温度のテストでも優れた安定性を示しました。これは、EAMAが結晶粒のモザイクであるペロブスカイト活性層の表面と相互作用したためです。 EAMAのないソーラーデバイスでは、これらの粒子間の境界に起因するクラックが活性層の表面に形成されることが科学者達によって確認されました。科学者がEAMAを追加したとき、彼らは追加のペロブスカイト材料が粒界を満たし、水分が入るのを止めて、これらのクラックの形成を防止したことを観察しました。

チームは、PH3Tと呼ばれる少量のポリマーを混合することにより、正孔輸送層自体も変更しました。このポリマーは、層に撥水特性を与えることにより、耐湿性を高めました。

このポリマーは、以前は長期安定性の改善を妨げていた大きな問題も解決しました。ペロブスカイト太陽電池モジュールの上部の電極は、金の薄いストリップから形成されています。しかし、時間の経過とともに、小さな金の粒子が電極から正孔輸送層を通ってアクティブなペロブスカイト層に移動します。これは、デバイスのパフォーマンスを不可逆的に損ないます。

研究者がPH3Tを組み込んだとき、彼らは金粒子がよりゆっくりとデバイスに移動することを発見しました。それはモジュールの寿命を著しく増加させました。

最終的な改善のために、科学者たちはガラスに加えて、ポリマーのパリレンの薄層を追加して、太陽電池モジュールに保護コーティングを提供しました。この追加の保護により、ソーラーモジュールは、2000時間の一定の照明の後でも、初期性能の約86％を維持しました。

国立研究開発法人産業技術総合研究所（AIST）のサイドカザウイ博士と協力して、OISTチームは改善された太陽電池モジュールをテストし、16.6％の効率を達成しました。研究者たちは現在、より大きな太陽電池モジュールにこれらの変更を加えることを目指しており、将来、大規模な商用太陽電池技術の開発に向けて道を切り開いています。