南京大学の研究チームが新戦略を開発、全 perovskite 三接合太陽電池の効率を30.1%に向上

中国の南京大学およびその提携機関の研究者たちは、モノリシック全 perovskite 三接合太陽電池における主要な効率課題に対処する新しい処理戦略を開発した。特に研究チームは、2.0 eV の超広バンドギャップ（UWBG）perovskite 薄膜における性能限界に対応するため、表面再構築とハロゲン化物均質化の戦略を設計した。この戦略により、驚異的な 30.1%（認定 29.3%）の電力変換効率を達成する perovskite 三接合太陽電池が実現した。研究によれば、この統合設計は継続使用下において高い安定性を示し、将来の多層太陽電池の効率を 35% 以上へ押し上げる可能性を秘めている。

現在、標準的なシリコン製パネルが太陽電池業界を支配しているが、阳光をエネルギーに変換する能力には物理的な上限がある。一方、perovskite は有望な代替手段を提供する。これらの合成材料は積層して積み重ねることが可能で、太陽光スペクトルのより広い波長範囲をより効率的に吸収できる。高エネルギーの太陽光を捉えるため、科学者たちは臭素を豊富に含む超広バンドギャップ（2.0 eV）の perovskite 薄膜を作製してきた。しかし、臭素含有量が高いと、製造過程において不安定となる。上面が先に乾燥して結晶化する一方、底面は湿润な状態を保つ。この不一致により、流動性のコアの上に剛性の殻が形成され、薄膜にしわや亀裂が生じて化学組成が分離してしまう。

その結果、エネルギーが浪費され、大きな電圧損失が発生する。

薄膜の性能限界への解決策

研究者たちは、材料表面を平滑化し結晶形成を管理する二重処理技術でこの問題に対処した。この技術は、狙い澄ました溶媒浴と少量の油系塩化アンモニウム添加剤を組み合わせることで、不均一な乾燥の問題を解決する。バランスの取れた溶媒処理が最上層を再形成して平らにするとともに、塩化物の添加が臭素とヨウ素の成分の同時結晶を可能にする。この複合的な手法により、早期の表面硬化を防ぎ、材料全体にわたって滑らかで構造的に均一な薄膜を実現する。

モノリシック三接合セルは、異なるバンドギャップを持つ相互接続された三層の光吸収層を組み合わせ、太陽光スペクトルの異なる部分をターゲットとする。表面のしわや構造欠陥を取り除くことで、三層太陽電池を最適化して最大のエネルギー捕捉を達成した。上面の 2.0 eV サブセルは 1.46 V の高い開放電圧を実現し、中間層はスペクトルに合わせて 1.60 eV、底層は深赤外線を吸収するために 1.22 eV となっている。このモノリシック三接合構成により、記録的な 30.1% の電力変換効率を共同で達成し、独立認定により 29.3% が確認された。

今後の応用と研究方向

研究者らは次のように述べている。「最終的に得られた UWBG perovskite 薄膜は、均一な表面ポテンシャル、非放射再結合の抑制、向上したキャリア移動度、そして 1.46 V の開放電圧を示した。」この技術は効果的であるだけでなく、持続性も備えている。完成したセルは模擬太陽光下で最大出力での連続稼働 569 時間後も、初期効率の 90% 以上を維持したという。初期の実験室試験を終えた後、研究チームは電圧およびフィルファクター損失の削減、電流整合の最適化、大規模応用のためのデバイス大型化を計画している。今後の研究は、初期効率測定から、実際の動作条件下、特に宇宙ミッション用途を見据えた放射線、紫外線、真空、熱サイクル耐久性に焦点を当てた、モジュール性能評価へと移行する。

重いシリコンウェハーを使用しないこの技術は、超軽量で柔軟性のあるソーラーモジュールを可能とし、商業用屋根、ウェアラブル電子機器、人工衛星展開への応用を目指している。

perovskite 技術の可能性と応用の展望

perovskite 材料は太陽電池において優れた性能を示しており、特にエネルギー変換効率の向上面で顕著である。この新技術は効率を高めるだけでなく、製造過程における従来材料の不安定性の問題も解決した。研究の深化に伴い、特にウェアラブル機器や軽量モジュールにおいて、商業応用における perovskite セルの広範な展開が期待され、太陽エネルギー技術に対する市場の要求と応用形態を変えることになるだろう。