より安価なフレキシブル太陽電池への道筋を描く

- Feb 25, 2019-

ソース:科学的


perovskite solar cells 1

Georgia Techの研究者は、ペロブスカイトベースの太陽電池を保有しています。これは、シリコンベースのバージョンよりも柔軟で軽量です。

クレジット:ジョージア工科大学ロブ・フェルト


ペロブスカイトベースの太陽電池について好きなことがたくさんあります。 それらは製造するのが簡単で安価であり、広い範囲の設置方法および場所を解き放つことができる柔軟性を提供し、そして近年では伝統的なシリコンベースの電池のそれらに近づくエネルギー効率に達している。

しかし、数ヶ月以上続くペロブスカイトベースのエネルギーデバイスを製造する方法を考え出すことは難題でした。

ジョージア工科大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校、およびマサチューセッツ工科大学の研究者らは、ペロブスカイト型太陽電池に関する新しい知見を報告しました。

ジョージア工科大学の材料科学工学科の助教授、Juan-Pablo Correa-Baenaは次のように述べています。 「しかし、市場でシリコンベースの太陽電池と競争することができるためには、それらはより効率的である必要がある。」

2月8日にScience誌に掲載され、米国エネルギー省およびNational Science Foundationが後援した研究で、研究者らは伝統的なペロブスカイトにアルカリ金属を添加する方法がより優れた性能をもたらすメカニズムを詳細に説明した。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノ工学教授であるDavid Fenningは、次のように述べています。 「彼らは、パフォーマンスをあきらめずにコストを削減する可能性を秘めています。しかし、これらの資料について基本的に学ぶべきことはまだたくさんあります。」

ペロブスカイト結晶を理解するためには、その結晶構造をトライアドと考えることが役立ちます。 トライアドの一部は、通常、要素リードから形成されます。 第二のものは典型的にはメチルアンモニウムのような有機成分から構成され、そして第三のものはしばしば臭素およびヨウ素のような他のハロゲン化物からなる。

近年、研究者たちは、構造の鉛成分にヨウ素と臭素を添加するなど、より優れた効率を達成するためにさまざまなレシピをテストすることに焦点を当てています。 後に、彼らはセシウムとルビジウムをペロブスカイトの有機分子で占められている部分に置き換えることを試みた。

「我々は以前の研究からセシウムとルビジウムを臭素とヨウ素の混合鉛ペロブスカイトに添加することがより良い安定性とより高い性能をもたらすことを知っていた」とCorrea-Baenaは言った。

しかし、これらのアルカリ金属を添加することがペロブスカイトの性能を改善する理由についてはほとんど知られていなかった。

それがうまくいくように見える理由を正確に理解するために、研究者はナノスケールでペロブスカイトを調べるために高強度X線マッピングを使いました。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノ工学博士課程の学生、Yanqi(Grace)Luo氏は、次のように述べています。「ペロブスカイト材料内の組成を見ることで、個々の要素がデバイスの性能向上にどのような役割を果たすかがわかります」。

彼らは、セシウムとルビジウムを臭素とヨウ素の混合ペロブスカイトに添加すると、臭素とヨウ素がより均一に混合し、これらの添加剤を含まない材料よりも最大2%高い変換効率が得られることを発見しました。

「化学と構造の均一性がペロブスカイト型太陽電池の可能性を最大限に引き出すのに役立つことがわかった」とフェニング氏は語った。 「そのバックボーンに異質性があることは、鎖の中の弱いリンクのようなものです。」

それでも、ルビジウムまたはセシウムを添加すると臭素とヨウ素がより均一になる一方で、陽イオン内のハロゲン化物金属自体はかなり密集したままで、太陽電池内に電流を発生しない不活性な「不感帯」を作り出した。

「これは驚くべきことでした」とFenningは言った。 「これらのデッドゾーンがあると、通常は太陽電池を殺すことになります。他の材料では、他の領域から電子を吸い込んで決して逃がさないブラックホールのように機能するので、電流と電圧が失われます。

「しかし、これらのペロブスカイトでは、ルビジウムとセシウムの周りのデッドゾーンが太陽電池の性能にあまり悪影響を及ぼさないことがわかりました。 「これは、これらの資料がどれほど堅牢であるかを示していますが、さらに改善の機会があることも示しています。」

この知見は、ペロブスカイトベースのデバイスがナノスケールでどのように機能するかの理解を深め、将来の改善のための基礎を築くことができます。

Correa-Baena氏は、「これらの材料は、非常に費用対効果が高く高性能であることを約束しています。これは、太陽電池パネルを確実に幅広く展開するために必要なことです」と述べました。 「私たちは気候変動の問題を相殺しようとしているので、可能な限り安価な太陽電池を用意することがアイデアです。」