トピック：エネルギー材料科学ペロブスカイト太陽電池太陽光発電太陽電池
近年、新しいタイプの太陽光発電技術が有望視されています。ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池は、電気エネルギーを生成するための高性能かつ低コストの両方であり、将来の太陽光発電技術の成功に必要な 2 つの要素です。しかし、新しい太陽電池材料は、25 年以上の信頼性を誇るシリコンベースの太陽電池の安定性にも匹敵する必要があります。
ジョージア工科大学材料科学工学部助教授フアン・パブロ・コレア・バエナ率いるチームは、新たに発表された研究で、ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池がこれまで考えられていたよりも安定性が低いことを示した。彼らの研究は、セルの界面層内で起こる熱不安定性を明らかにするだけでなく、ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池技術の信頼性と効率性への道筋も提供します。彼らの研究は雑誌のカバーストーリーとして掲載されました先端材料2022 年 12 月に予定されるこの計画は、太陽光によって生成される電流に関係する分野である太陽光発電でペロブスカイトを扱う学者と業界専門家の両方に即座に影響を及ぼします。
ハロゲン化鉛ペロブスカイト太陽電池は、太陽光の電力への優れた変換を約束します。現在、これらのセルから高い変換効率を引き出すための最も一般的な戦略は、カチオンとして知られる大きな正に荷電したイオンでその表面を処理することです。
これらのカチオンは大きすぎるため、ペロブスカイトの原子スケール格子に収まらず、ペロブスカイト結晶に到達すると、堆積した界面で材料の構造が変化します。結果として生じる原子スケールの欠陥により、太陽電池からの電流抽出の効率が制限されます。これらの構造変化は認識されているにもかかわらず、カチオンが堆積後に安定しているかどうかに関する研究は限られており、ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池の長期生存性に影響を与える可能性のあるプロセスの理解にはギャップが残されています。
「私たちの懸念は、太陽電池の長期間の動作中に界面の再構築が継続することでした」とコレアバエナ氏は述べた。「そこで私たちは、このプロセスが時間の経過とともにどのように起こるかを理解し、実証しようと努めました。」
実験を実行するために、チームは典型的なペロブスカイト膜を使用してサンプルの太陽電池デバイスを作成しました。このデバイスには 8 つの独立した太陽電池が搭載されており、研究者は各セルの性能に基づいて実験し、データを生成することができます。彼らは、カチオン表面処理の有無にかかわらずセルがどのように機能するかを調査し、シンクロトロンベースのX線特性評価技術を使用して、長時間の熱ストレスの前後で各セルのカチオン修飾された界面を研究しました。
まず、研究者らは前処理したサンプルを100度にさらしました。摂氏40 分間放置し、X 線光電子分光法を使用して化学組成の変化を測定しました。彼らはまた、別の種類の X 線技術を使用して、フィルムの表面にどのような種類の結晶構造が形成されるかを正確に調査しました。2 つのツールからの情報を組み合わせることで、研究者らは、カチオンがどのように格子内に拡散するのか、また熱にさらされたときに界面構造がどのように変化するのかを視覚化することができました。
次に、カチオンによる構造変化が太陽電池の性能にどのような影響を与えるかを理解するために、研究者らはジョージア工科大学の物理化学教授であるカルロス・シルバ氏と協力して励起相関分光法を利用した。この技術では、太陽電池サンプルを非常に速い光パルスにさらし、各パルス後にフィルムから放出される光の強度を検出して、光からのエネルギーがどのように失われるかを理解します。この測定により、研究者はどのような種類の表面欠陥が性能に悪影響を及ぼすかを理解することができます。
最後に、研究チームは構造と光電子特性の変化を太陽電池の効率の違いと関連付けました。彼らはまた、最もよく使用される 2 つのカチオンの高温によって引き起こされる変化を研究し、それらの界面での動力学の違いを観察しました。
「私たちの研究により、特定の陽イオンによる処理によって懸念される不安定性がもたらされることが明らかになりました」とコレア・バエナ研究室の研究科学者で論文の筆頭著者であるカルロ・ペリーニ氏は述べた。「しかし、良いニュースは、インターフェース層を適切に設計することで、将来的にこのテクノロジーの安定性が向上することです。」
研究者らは、有機カチオンで処理された金属ハロゲン化物ペロブスカイト膜の表面は、熱応力下で構造と組成が進化し続けることを学びました。彼らは、その結果として生じる界面での原子スケールの変化が、太陽電池の電力変換効率に重大な損失を引き起こす可能性があることに気づきました。さらに、これらの変化の速度は使用するカチオンの種類に依存することも発見し、分子を適切に操作すれば安定した界面が実現できる可能性があることを示唆しています。
「この研究により、研究者がこれらの界面を高温でテストし、不安定性の問題の解決策を模索するようになることを願っています」とコレアバエナ氏は述べた。「この研究は科学者に正しい方向を示し、より効率的で安定した太陽光発電技術を構築するために注力できる分野を示すはずです。」