ペロブスカイト

May 20, 2023

シリコン太陽電池は、理論上の効率限界である 29.4% に近づきつつあります。 しかし昨年、科学者らは効率の閾値である30パーセントを初めて超えたタンデム型太陽電池を開発したことを明らかにした。 現在、彼らはどのようにしてそれを達成したかを明らかにするだけでなく、別のチームも別のアプローチを使用してこの記録を破ったと述べています。

最も一般的な太陽電池は、光を吸収するためにシリコンを使用します。 現在の商用シリコン太陽電池の効率は 24% 以上に達しており、最も優れた実験用セルの効率は 26.8% です。

太陽電池の効率を高める 1 つの方法は、2 つの異なる光吸収材料を 1 つのデバイスに積層することです。 このタンデムアプローチにより、太陽電池が収集できる太陽光のスペクトルが増加します。

「今後は、安定性とスケーラビリティの側面に重点を置く必要があります。」

ペロブスカイト結晶は安価で実験室で簡単に製造できるため、科学者はタンデム型太陽電池でのペロブスカイトの使用を研究することが増えています。 一般的なアプローチは、ペロブスカイトで作られた上部セルを使用して高エネルギーの可視光を吸収し、シリコンで作られた下部セルを使用して低エネルギーの赤外線を吸収することです。

2022年、ドイツの研究者チームは効率29.8パーセントのペロブスカイト・シリコンタンデム型太陽電池を開発した方法を明らかにし、スイスのヌーシャテルにあるスイスエレクトロニクス・マイクロテクノロジーセンターの別のグループとその共同研究者らが新記録を樹立した。 31.25パーセント。

スイスエレクトロニクス・マイクロテクノロジーセンターの材料科学者クエンティン・ジャングロス氏は、「大量生産に対応したアーキテクチャを備えた技術が効率30パーセントを超えるのは初めてだ」と語る。

今回、ヌーシャテルの研究者とその同僚は、その装置をどのように構築したかを明らかにし、ベルリンの科学者とその協力者は、最大32.5パーセントの効率を持つ新しいタンデム型太陽電池を発表した。

ヌーシャテルのグループは、高さ数マイクロメートルのピラミッドを特徴とするシリコン下部セル上のペロブスカイト上部セルで構成されたデバイスを明らかにした。 平らな表面の代わりにテクスチャード加工された表面を使用すると、表面の光捕捉機能が強化されました。

この高効率ペロブスカイト・オン・シリコンタンデム型太陽電池の前面の電子顕微鏡画像では、テクスチャード加工された表面と炭素 60 フラーレン層が明らかになりました。これらの両方が、光の捕捉を最大化し、電荷損失を防ぐのに役立っています。Quentin Jeangros と Chin Yuシン/CSEM

このグループは、ペロブスカイトの堆積に 2 段階の方法を使用しました。 まず、熱蒸着を使用して、ピラミッドで覆われたシリコンボトムセル上に無機テンプレートを配置しました。 次に、彼らは溶液を使用してこの足場をペロブスカイトに結晶化しました。 これにより、ペロブスカイトも光を捉えるためにピラミッドを形成するようになりました。

ペロブスカイト - シリコンタンデム太陽電池が直面している主な問題は、光がこれらの電荷を分離した後、ペロブスカイトトップセル内でマイナスに帯電した電子と正に帯電した正孔が再結合することによる電荷損失を防ぐことです。 ヌーシャテルとベルリンの両チームがこの問題を克服するために採用した戦略の 1 つは、ペロブスカイトから電子を効率的に抽出できる炭素 60 フラーレン層を配置することでした。

ただし、ペロブスカイト表面の欠陥では、電子と正孔が再結合する可能性があります。 ヌーシャテルのグループは、ペロブスカイトセルの結晶化中にホスホン酸添加剤を使用することで、これらの欠陥の形成を防ぐことでこれを回避しました。

スイス連邦工科大学ローザンヌ校の材料科学者シン・ユー・チン氏は、「これらの結果は、この技術が開発の次の段階に進む準備ができていることを示している。つまり、今後は安定性と拡張性の側面に重点を置く必要がある」と語る。ヌーシャテルの太陽光発電研究所。

ベルリンのチームは、別のアプローチを使用して、ヨウ化ピペラジニウムとして知られるイオン液体に依存しました。 この流体は、正に帯電したカチオンと負に帯電したアニオンの両方からなる塩です。 これにより、ペロブスカイト上の正および負の表面欠陥が修正され、再結合が減少します。